Thermodynamisch stabile Knoten in semiflexiblen Polymeren

• 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 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317744069

Gegenstand dieses Projekts sind numerische Untersuchungen der Knotenbildung in linearen Polymerketten. Für flexible Polymere ist seit längerem bekannt, dass sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit verschiedene Knoten formen. Kürzlich haben wir entdeckt, dass es im Phasendiagramm semiflexibler Theta-Polymere klar begrenzte Bereiche gibt, in denen bestimmte Knotentypen nicht nur zufällig, sondern thermodynamisch stabil auftreten, d.h. fast jede Konformation ist durch ein und denselben Knotentyp charakterisiert. Mittels einer Kombination des multikanonischen Algorithmus mit "replica-exchange" Monte-Carlo-Simulationen wollen wir die Natur dieser "verknoteten" Polymerphasen nun näher studieren.So möchten wir z.B. aufklären, warum bei Übergängen in die verknoteten Phasen eine Phasenkoexistenz auftritt, obwohl keine latente Wärme messbar ist. Dazu werden wir die freie Energielandschaft dieser Zustände genauer bestimmen und Energiebarrieren bzw. "transition pathways" berechnen. Ferner soll der Einfluss der Bindungslänge der Monomere auf das Auftreten stabiler Knoten studiert werden, da vorläufige Simulationen die Vermutung nahelegen, dass Knoten unterdrückt werden, wenn die Bindungslänge mit dem Gleichgewichtsabstand der Wechselwirkung nichtkovalent gebundener Monomere identisch ist.Des weiteren wollen wir klären, wie eine adsorbierende Oberfläche die Knotenbildung beeinflusst. Dazu soll zunächst für ein "coarse-grained" semiflexibles Polymer ermittelt werden, wie die Präsenz der Oberfläche die verknoteten Phasen und deren Phasenübergänge verändert und welche thermodynamisch stabilen Knoten auch nach der Adsorption erhalten bleiben. Neben der Gewinnung eines allgemeinen Verständnisses der Adsorption von semiflexiblen Polymeren soll diese Studie auch aufwändigere Simulationen von chemisch realistischen Polymermodellen an Oberflächen vorbereiten. Die Präparierung und Beobachtung einzelner Polymere an Oberflächen hat in letzter Zeit große Fortschritte gemacht, so dass mittlerweile Polymere mit weniger als 20 Monomeren experimentell aufgelöst werden können. Mit dieser Zielsetzung sollen die Simulationen so gestaltet werden, dass ein späterer Übertrag auf realistische Modelle möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, Türkei, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Handan Arkin-Olgar; Professor Dr. Ulrich H. E. Hansmann; Professor Dr. Martin Weigel