NSF-DFG Confine: MolPEC -- Molekulare Theorie schwacher Polyelektrolyte in eingeschränkter Geometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Müller
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509155421

Aufbauend auf komplementären Fortschritten in Polymer-Dichtefunktionaltheorie und molekularer Simulation, wird das US-deutsche Team die Struktur, Thermodynamik und Dynamik schwacher Polyelektrolyte an und zwischen Oberflächen studieren. Die Idee ist, Ising-Dichtefunktionaltheorie (iDFT) und Single-Chain- in-Mean-Field (SCMF)-Simulationen zu kombinieren und zu erweitern. iDFT betrachtet die Konfigurationen einzelner Makromoleküle und die Ionisationszustände ihrer Segmente auf gleicher Ebene und er- fasst flüssigkeitsähnliche Packungseffekte und elektrostatische Korrelationen mittels molekularer Dichte ρ(X). Diese gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung von Konfigurationen und Ionisationszuständen eines gesamten Makromoleküls wird durch ein Einzelkettenpotential ω(X) bestimmt, welches wiederum ein Funktional von ρ(X) ist. Die hochdimensionale molekulare Dichte wird effizient durch SCMF-Simulationen auf GPU-basierten Supercomputern, unter Verwendung des iDFT Einzelkettenpotentials, berechnet. Dazu wird das Programm SOMA um die Berechnung der elektrostatischen und nichtlokalen Wechselwirkungen entlang der Molekülkontur erweitert. Diese teilchenbasierte Simulation, D-iDFT, erfasst langreichweitige Korrelationen und erlaubt uns, die Konfigurationsdynamik zu untersuchen. Zusätzlich werden wir eine segmentbasierte dynamische iDFT (SD-iDFT) zur Beschreibung der Zeitentwicklung der Segment- und Ladungsdichte ableiten.Diese kombinierte Methode wird auf vier prototypische, wissenschaftliche Fragestellungen angewandt: (i) SCMF/iDFT-Simulationen werden die Adsorption schwacher Polyelektrolyte auf Oberflächen untersuchen, mit einem Fokus auf der Kopplung von Kettenkonfigurationen, Ionisationszuständen und Polymer-Oberflächen-Wechselwirkung. (ii) Die freie Energie der Oberfläche und Polymer-induzierte Wechselwirkungen zwischen Oberflächen werden mittels iDFT studiert und die Rolle der Segmentsequenz und Oberflächenheterogenität untersucht. (iii) Danach betrachten wir die Koazervation von Polykationen und -anionen in wässriger Lösung und legen unser Augenmerk auf das Wechselspiel zwischen Benetzung und Phasenverhalten in dünnen Filmen. (iv) Zusätzlich werden wir die kollektive Dynamik von schwachen Polyelektrolyten in eingeschränkter Geometrie als Antwort auf Änderungen, z. B. des pH-Werts oder der Salzkonzentration, untersuchen. Diese Simulationen sind in der Lage, die Zeitentwicklung der kollektiven Segment- und Ladungsdichteprofile aus der zugrundeliegenden Dynamik der Segmentionisation und Einzelkettenkonfigurationen vorherzusagen. In allen Anwendungen werden wir unsere Rechnungen durch Vergleich von SCMF-Simulationen, iDFT und Literaturdaten validieren und dann auf komplexere Systeme erweitern, um verschiedenen Segmentsequenzen oder Oberflächenchemien Rechnung zu tragen. Diese Fortschritte in Theorie und Simulation werden einen Beitrag zur rationalen Entwicklung schwacher Polyelektrolyte für ein breites Anwendungsspektrum leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jianzhong Wu