Freie-Energie-Landschaften für semiflexible Theta-Polymeraggregation mit und ohne externer Kraft

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfhard Janke
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277838335

Gegenstand des Projekts sind Untersuchungen universeller Aspekte der Aggregation von semiflexiblen Polymeren ohne und unter Einwirkung einer angelegten äußeren Kraft. Der Schwerpunkt soll dabei auf generischen strukturellen Eigenschaften von verankerten ("grafted'") semiflexiblen Polymeren liegen, die auf grundlegenden Prinzipien der statistischen Physik beruhen, und auf den resultierenden Freie-Energie-Landschaften unter dem Einfluß einer äußeren Kraft. Die Analyse soll auf numerischen Datenbasieren, die mit sorgfältig maßgeschneiderten multikanonischen Computersimulationen gewonnen werden sollen.Wir möchten Effekte endlicher Systemgrößen auf die Aggregation von semiflexiblen Polymeren für periodische Randbedingungen untersuchen und "finite-size scaling" Theorie anwenden, um universelle Schlüsse zu ziehen. Die Betonung wird dabei auf Freie-Energie-Landschaften liegen, insbesondere dem Skalierungsverhalten ihrer Barrieren in Abhängigkeit von der Steifigkeit des Polymers. Dieser Zugang im mesoskopischen Bereich sollte es uns erlauben, unterschiedliche Morphologien der Aggregate zu unterscheiden. Da der Aggregationsübergang energiedominierte, kompakte Strukturen und den entropiedominierten löslichen Bereich separiert, verlangt dies Systeme mit geringer Dichte und ausgefeilte Simulationsmethoden, die eine effiziente Stichprobenentnahme sowohl der energetischen als auch entropischen Beiträge ermöglicht, sowie fortgeschrittene Analyseverfahren, um diese Beiträge auseinander halten zu können.Angeregt durch experimentelle Realisierungen von Polymerbündeln unter externer Krafteinwirkung planen wir das Studium der Konformationseigenschaften von verankerten semiflexiblen Polymeren mit und ohne äußerer Kraft. Die Bestimmung der Freie-Energie-Landschaften und -Barrieren erlaubt die Charakterisierung der auftretenden Übergänge von einer ungeordneten, amorphen Phase zu Bündelphasen.Mit äußerer Kraft werden wir uns auf eher flexible Polymere konzentrieren, wo wir in einem Bereich mittelstarker Kräfte einen Wettstreit zwischen Selbstwechselwirkung, gegenseitiger Anziehung und externer Kraft erwarten, der zu Bündeln mit helikaler Verdrillung führen sollte. In diesem Fall möchten wir untersuchen, inwieweit die "worm-like chain" Approximation für eher flexible Polymerbündel unter Krafteinwirkung gültig bleibt.Diese Untersuchungen sollen für eine kleine Anzahl verankerter Polymere auf den Fall externer Felder verallgemeinert werden, für die wir wieder die Freie-Energie-Landschaft als Funktion der Temperatur und des Feldes studieren möchten. Die Betrachtung von Wechselfeldern erlaubt auch einenBlick auf Eigenschaften stationärer Zustände, für die wir die relevanten Längenskalen mit Hilfe von "finite-size scaling" bestimmen möchten. Bringt man an den freien Enden der Polymere ausgedehnte geometrische Objekte an, werden weitere Einschränkungen eingeführt und es könnten sich interessante und vielversprechende experimentelle Versuchsanordnungen ergeben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen