Computersimulation des Einflusses der Polymerkettensteifigkeit in konzentrierten Polyelektrolyt-Systemen

• Antragsteller: Dr. Diddo Diddens
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239899814

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erforschung des Einflusses der Polymerkettensteifigkeit auf die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Polyelektrolyt-Systemen wie zum Beispiel konzentrierten Lösungen, Komplexen oder Multischichten mittels Molekulardynamik-Simulationen. Im Gegensatz zu ungeladenen Polymeren zeichnet sich die Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyten im Wesentlichen durch deren elektrische Ladungen sowie die entropischen Beiträge ihrer Gegenionen aus. Neueste Röntgen- und Neutronenstreuungs-Experimente am Gastinstitut (Institut Charles Sadron, Strasbourg) haben jedoch gezeigt, dass insbesondere für die Struktur der Polyelektrolyt-Moleküle in konzentrierten Lösungen auch andere, chemische Parameter wie die Flexibilität der Polymerketten wichtig sind. Während sich Polyelektrolyte mit unterschiedlicher Steifigkeit in verdünnten Lösungen weitestgehend universell verhalten, und die Struktur der Polymerketten im Allgemeinen gut durch theoretische Modelle beschrieben werden kann, wurden für hohe Konzentrationen deutliche strukturelle Unterschiede zwischen flexiblen und starreren Polyelektrolyt-Ketten gefunden. Eine systematische Untersuchung dieses Effekts steht allerdings noch aus. Neben experimentellen Messungen oder der Entwicklung neuer theoretischer Konzepte eignen sich hierfür insbesondere Molekulardynamik-Simulationen, da chemische Eigenschaften wie die Steifigkeit der Polyelektrolyt-Ketten leicht modelliert werden können und die zeitliche Entwicklung des Systems auf molekularer Ebene verfolgt werden kann. Im zweiten Teil des Projekts sollen Molekulardynamik-Simulationen dazu verwendet werden, die Erkenntnisse über die konzentrierten Polyelektrolyt-Lösungen auf verwandte Materialien wie Polyelektrolyt-Komplexe oder Polyelektrolyt-Multischichten zu verallgemeinern. Ähnlich wie bei den Polyelektrolyt-Lösungen gibt es klare experimentelle Hinweise, dass die intrinsische Polymersteifigkeit auch für die Eigenschaften dieser Systeme eine entscheidende Rolle spielt. Das Projekt soll in enger Kooperation mit Experimentatoren und Theoretikern des Gastinstituts durchgeführt werden, wodurch sich die einzelnen Bereiche optimal ergänzen können und so eine solide Basis für das Simulationsprojekt bilden. Neben der Untersuchung der mikroskopischen Ursachen hinter den experimentellen Beobachtungen am Gastinstitut ist ein grundlegendes Verständnis von konzentrierten Polyelektrolyt-Systemen auch für andere Gebiete wie beispielsweise der Materialforschung oder der Biophysik von entscheidender Bedeutung, sodass angrenzende Fachbereiche ebenfalls von einer systematischen Erforschung dieser Effekte profitieren würden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Professor Dr. Jörg Baschnagel; Dr. Albert Johner