Facing Complex Soft Matter: Tools, Validation, and Case Studies
Doktorsavhandling, 2024

We face a complex soft matter challenge where ab-initio theory can offer unique insight. The behavior of soft matter reflects the competition between intricate intermolecular interactions and subtle energy balances. Most of those problems are complex, that is, we lack complete experimental characterizations. In fact, empirical characterization of these systems are difficult because the systems can easily change under external stimuli.
This status is a challenge for traditional material theory that normally relies on at least some measurement input: with complex soft matter we must start by making plausible predictions for the structure that may have multiple relevant phases.

This thesis develops computational tools and methods capable of predicting and analyzing the behavior of complex soft matter. We advance the application of Density Functional Theory through the development of new computational tools, notably a range-separated hybrid van der Waals Density Functional (vdW-DF) called AHCX. AHCX integrates non-local correlation and exchange mechanisms, demonstrating enhanced accuracy and transferability across various problems, from thermophysical properties in bulk materials to molecular and adsorbate systems. Additionally, this thesis work documents the implementation of the vdW-DF spin-stress tensor in \textsc{Quantum ESPRESSO}, enabling efficient predictions of spin-polarized systems and magnetic properties.

We apply AHCX, and the latest range-separated hybrid vdW-DF termed AHBR, to characterize the activation of oxygen in complex catalytic systems such as Cu-Chabazite zeolites and enzymatic crystals. We prove the utility of these functionals in accurately modeling both chemical and physical binding without empirical adjustments.

Finally, I introduce our methods and tools to study the properties of orthorhombic phases of polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinyl fluoride (PVF).
We contrast these with those of polyethylene (PE) using the related vdW-DF-cx functional. Unlike PVDF and PE, PVF lacks a definitive experimental consensus on its structure, and is an example of a complex soft-matter problem. We validate vdW-DF-cx's accuracy with PE and PVDF and extend our analysis to the PVF system, allowing for the impact of thermal excitations. This investigation furthermore predicts PVF's mechanical behavior, polarization response, and plastic deformation.

In summary, the thesis seeks to enhance the understanding of complex soft matter and improve theoretical tools for predicting their behavior.

Flourinated Polymer Crystals

Soft Matter

van der Waals Density Functionals

Catalysis

Spin-Polarized Systems

Density Functional Theory

Complex Matter

PJ-salen
Opponent: Karsten Wedel Jacobsen, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark

Författare

Carl Mikael Frostenson

Chalmers, Mikroteknologi och nanovetenskap, Elektronikmaterial

Carl Frostenson, P är A. T. Olsson and Per Hyldgaard, Fluorinated Polymer Crystals: Structure predictions, nature of slippage, and possibility of finite-temperature ferroelectricity in a complex soft material

Carl Frostenson, Yingxin Feng, Per Hyldgaard, and Henrik Grönbeck, Range-Separated Hybrid van der Waals Density Functional to Describe Cu2O2-complexes

VdW-DF-ahcx: A range-separated van der Waals density functional hybrid

Journal of Physics Condensed Matter,;Vol. 34(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hard and soft materials: Putting consistent van der Waals density functionals to work

Electronic Structure,;Vol. 4(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Mjuka material innefattar allt från plast till biologiska strukturer. Dessa förändras och anpassar sig snabbt efter yttre påverkan. Eftersom de påverkas av experimentella förhållanden är de ofta svåra att studera i detalj. Med beräkningsmetoder är det möjligt att kontrollera och studera dessa material för specifika förhållanden och på så vis få en unik inblick i hur de beter sig.

I denna tes avhandlas nya beräkningsbaserade verktyg som hjälper forskare att analysera och förutsäga egenskaper hos mjuka material. Vi utökar täthetsfunktionalsteori med en ny funktionalvariant i kategorin hybrida van der Waals-funktionaler. Denna funktional är särskilt bra på att hantera de små men avgörande interaktionerna mellan molekyler som kallas van der Waals-krafter. Därutöver har vi utvecklat verktyg för att förutsäga magnetiska egenskaper hos material där van der Waals spelar en viktig roll.

Vi har tillämpat dessa metoder för att utforska zeoliter, som bland annat används för att rena avgaser i dieselmotorer, och enzymatiska kristaller som är viktiga i biologiska processer. Därtill studeras polymerkristallerna polyvinylidenfluorid (PVDF) som kan användas i mekaniska sensorer, och polyvinylfluorid (PVF) som ofta nyttjas i förpackingar och skyddande beläggningar. Trots att det saknas experimentell konsensus om PVF:s struktur har vi kunnat använda våra beräkningsverktyg för att förutsäga ett antal av dess egenskaper.

Introduktion och användning av generaliserad Kohn-Sham van der Waals täthedsfunktional: Laddningsomfördelningar vid svag växelverkan

Vetenskapsrådet (VR) (2022-03277), 2023-01-01 -- 2026-12-31.

Laddningsöverförsel vid gränsytor i mjuka material: en utmaning för icke-lokal täthetsfunktionalteori

Vetenskapsrådet (VR) (2018-03964), 2019-01-01 -- 2022-12-31.

Ett ramverk för fysikbaserad uppskattning av verktygsförslitning i skärande bearbetning

VINNOVA (2020-05179), 2021-03-22 -- 2024-11-20.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Produktion

Materialvetenskap

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Ämneskategorier

Företagsekonomi

Teoretisk kemi

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-8103-061-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5519

Utgivare

Chalmers

PJ-salen

Opponent: Karsten Wedel Jacobsen, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark

Mer information

Senast uppdaterat

2024-05-17