Simulation von elektrostatisch reversibel verknüpften Modellnetzwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397384169

Amphiphile Conetzwerke (ACN) sind Netzwerke die aus hydrophilen und hydrophoben Polymerbausteinen bestehen, und komplexe Strukturen mit interessanten einstellbaren Eigenschaften bilden. Besonders interessant und bisher kaum erforscht sind in diesem Zusammenhang ACN die aus reversibel-ionisch verknüpften Bausteinen (beispielsweise Sternpolymeren) bestehen, da für diese Systeme Netzwerkeigenschaften durch äußere Parameter wie die Saltzkonzentration und den pH-Wert (im Fall schwacher Ladungen auf den Bausteinen) gezielt geschaltet werden können. Aufgrund dieser schaltbaren Eigenschaften haben diese Netzwerke zahlreiche potentielle Anwendungen, beispielsweise als Zellsubstrate. In unserem Projekt sollen im Rahmen von Molekulardynamik- und Monte-Carlo-Simulationen vergröberter Kugel-Feder-Polymermodelle Einsichten in die mikroskopische Struktur sowie die Dynamik reversibler (aus ionischen Vierarm-Sternpolymeren aufgebauten) und kovalent-reversibler (also bereits teilweise vorvernetzter) ACN gewonnen werden. Zuerst sollen hierzu die Netzwerkbildung sowie der Gleichgewichts-Quellzustand der vollständig reversiblen Vierarm-Sternsysteme als Funktion verschiedener Parameter wie pH-Wert, Salzkonzentration, etc. sowie für verschiedene Sternarchitekturen charakterisiert werden. Anschließend soll die Partitionierung von Modellproteinen zwischen einem Reservoir und den Netzwerken untersucht werden. Die Proteine werden die dabei als "weakly charged patchy particles" darstellen, zur Simulation der Partitionierung werden wir unsere G-RxMC Methode erweitern. Im nächsten Schritt sollen dann dynamische Eigenschaften wie der Transport von Sondenteilchen in den Netzwerken untersucht werden, wobei wir auf die Proteinmodelle aus den vorherigen Untersuchungen zurückgreifen werden. Zur Berücksichtigung hydrodynamischer Wechselwirkungen werden wir die Sondenteilchen sowie Polymere und Ionen hier an ein Gitter-Boltzmann-Fluid koppeln. Im dritten Arbeitspaket sollen die vorherigen Untersuchungen für bereits vorvernetzte kovalent-reversible Hybridnetzwerke wiederholt werden. Zuletzt sollen dünne, auf einer Oberfläche fixierte Hybridnetzwerke bezüglich ihres Quellverhalten sowie mechanischer Eigenschaften untersucht und mit den Eigenschaften der Volumen-Systeme verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2811: Adaptive Polymergele mit kontrollierter Netzwerkstruktur