Assembly of layers in 3D with guiding frames
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde die Bildung von Mizellen bei Anwesenheit eines molekularen Rahmens ("frame guided assembly - FGA") aus theoretischer Perspektive studiert. Entsprechende Experimente wurden zuvor in der Gruppe von Prof. Dongsheng Liu durchgeführt. Um diese systematischen hauptsächlich numerischen Untersuchungen durchführen zu können, wurde zunächst ein teilchenbasiertes Modellsystem entwickelt, das auf einer minimalistischen Darstellung von Tensiden beruht. Die energetisch optimale Größe der Mizellen kann durch den Gleichgewichtswinkel im Modellpotential festgelegt werden. Insbesondere können auch Membrane damit hocheffizient simuliert werden. In einem ersten Schritt wurden die Mechanismen, die für die Mizellen- und Vesikelbildung verantwortlich sind, analysiert. Eine starke Verlangsamung der Equilibrierungszeit wurde in Systemen mit Partikeldichten nahe cmc bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Da durch das minimalistische Modell sehr lange Simulationszeiten zugänglich waren, konnten die in der langen Nicht- Gleichgewichtsphase stattfindenden Prozesse charakterisiert werden. So ergab sich bei tiefen Temperatur z.B. ein reproduzierbares, aber theoretisch bis heute nicht verstandenes initiales Wachstum, bevor die Mizellen anschließend wieder kleiner wurden und sich dem Gleichgewichtswert annäherten. Es konnte deutlich das Wechselspiel von energetischen und entropischen Effekten beobachtet werden. Im Kernteil des Projekt wurden durch Erweiterung dieses Modells das FGA durch Einführung der sogenannten „guiding elements“ (GEs) studiert. Dazu wurden Teilchen gleichmäßig auf einer Kugel (bei 3D FGA) oder eine Ebene (bei 2D FGA) verteilt und in der folgenden Simulation deren translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade eingeschränkt. Das Hauptziel war die theoretische Untersuchung des anschließenden Wachstumsprozesses der Mizelle bzw. der Membran unterhalb von cmc, im Umfeld der beim Wachstum unterstützenden GEs. Analog zum Experiment konnte tatsächlich Mizellen- bzw. Membranwachstum unterhalb von cmc beobachtet werden und die Abhängigkeit von den relevanten Parametern (insbesondere Dichte der GEs sowie Temperatur) charakterisiert werden. Zunächst konnte die ursprünglich favorisierte Superpositions-Hypothese falsifiziert werden, nach der die Anwesenheit der GEs analog zu einer Erhöhung der Dichte der freien Teilchen betrachtet werden kann. Tatsächlich ist der Effekt der GEs zwar vorhanden, aber deutlich weniger ausgeprägt. Interessanterweise ist die grundsätzliche Natur des Einbaus stark temperaturabhängig. Während bei tiefen Temperaturen zunächst spezifische Teilchencluster um einzelne GEs zu beobachten waren, findet bei höheren Temperaturen eher ein hoch-korreliertes Wachstum statt. Zusätzlich wurde ein geeignet definiertes Gittergasmodell sowohl numerisch als auch analytisch in mean-field-Näherung studiert. Es zeigte eine sehr ähnliche Phänomenologie wie das FGA. Durch diese Analogie konnte ein weitgehendes theoretisches Verständnis der FGA erzielt werden und der Bezug zu Phasenübergängen zweiter Ordnung hergestellt werden. Das entwickelte Modell lässt sich jenseits der FGA für verschiedene Fragestellungen nutzen. So wurden bereits osmotische Druckeffekte studiert, die in Analogie zu Experimenten zu einer Explosion von großen Vesikeln (GUVs) führen können. In aktuell gestarteten Projekten wie z.B. im SFB 1459 („Intelligent Matter“) wird das Modell für die Beschreibung von Oberflächenadsorptionsprozessen verwendet. Weitere Anwendungen, z.B. bei der Benetzung von Oberflächen durch Vesikel, sind konkret geplant. Da der Code in github veröffentlicht ist, steht dieses Modell auch anderen Interessierten Arbeitsgruppen zur Verfügung.
Publications
- Understanding frame-guided assembly from a theoretical perspective
S. Raschke, A. Heuer
(See online at https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.07792) - Non-equilibrium effects of micelle formation as studied by a minimum particle-based model, J. Chem. Phys. 150(20), 204903 (2019)
S. Raschke, A. Heuer
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5086618) - Dissertation 2020, Frame-guided assembly of vesicles and membranes from a theoretical perspective
S. Raschke
