Stäbchenförmige Polyelektrolyte: Struktur und Dynamik in Lösung, Schmelze und Festkörper: Computersimulationen und Theorie von stäbchenförmigen Polyelektrolyten

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5397820

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem abgeschlossenen Forschungsprojekt haben wir die Struktur und Eigenschaften von geladenen Polymeren mittels analytischer Theorien und Computersimulationen untersucht und mit Experimenten an geeignet synthetisierten PPP Modellsystemen verglichen. Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, genannt MMM1D, mit dessen Hilfe man die elektrostatischen Wechselwirkungen in einer partiell-periodischen Geometrie, nämlich dem in einer Raumdimension unendlich langen Stab, effizient berechnen kann. Mittels der extensiven Molekulardynamiksimulationen konnten wir zeigen, welche Korrelationseffekte der Gegenionen in Polyelektrolytlösungen unter experimentell realistischen, aber im Detail wohldefinierten Randbedingungen (Konzentration, Steifigkeit, Ladungsstärke usw.) zu effektiven Anziehungen, aber auch zu Clusterbildung, bzw. Bündelbildung in Polyelektrolytlösungen führten. Wir haben ebenfalls demonstriert, dass die SCT diese Phänomene gut beschreibt, konnten aber auch die Randbedingungen aufzeigen, die für eine gute quantitative Übereinstimmung notwendig sind, nämlich das hinreichende Großwerden der drei Parameter H, gRB, und g2. Des Weiteren haben wir die Gültigkeit und Anwendbarkeit der vereinfachten analytisch-theoretischen Modelle auf Grundlage der Poisson-Boltzmann Lösung für das zylindrische Zellenmodell von unendlich langen, geladenen Stäben mit unseren Simulationen verglichen. Das Zellenmodell stellt eine ausgezeichnete Beschreibung der Lösungseigenschaften von Polyelektrolyten dar. Allerdings muss für endliche und speziell sehr kurze Polyelektrolytketten eine geometrie-optimierte Zelle benutzt werden. Wir haben auch Wege aufgezeigt, wie die Anwendbarkeit der Poisson-Boltzmann Theorie vergrößert werden kann, indem man einen DHHC Korrekturterm zur freien Energie hinzufügt, der die elektrostatischen Korrelationen beschreibt, und einen nichtlokalen, dichtegewichteten Term, der die Wechselwirkungen des ausgeschlossenen Volumens der Ionen beschreibt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Attraction and unbinding of like-charged rods. Euro. Phys. Lett. 67, 130-136 (2004)
  A. Naji, A. Arnold, C. Holm, R.R. Netz
  
• Efficient methods for long range interactions in periodic geometries plus one application. Proceedings of the NIC Winterschool 2004 "Computational Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins", eds. N. Attig, K. Binder, H. Grubmüller, K. Kremer, NIC series 23, Research Centre Jülich, 2004
  C. Holm
  
• Polyelectrolyte Bundles. Journal of Physics: Condensed Matter 16, S2135-S2144 (2004)
  H. J. Limbach, M. Sayar, and C. Holm
  
• Screening in Spherical Colloidal Systems - A Local Density Functional Approach. Phys. Rev. E 69, 051401 (2004)
  M. C. Barbosa, M. Deserno, R. Messina, and C. Holm
  
• Computer Simulations of the "Hairy Rod" model. Macromolecular Chemistry and Physics 206, 77-82 (2005)
  H.J. Limbach, C. Holm, K. Kremer
  
• Efficient methods to compute long range interactions for soft matter systems. p 59-109, in C. Holm, K. Kremer, (Eds.) Advanced Computer Simulation Approaches for Soft Matter Sciences IT, Series: Advances in Polymer Science, Vol. 185, Springer, Berlin, 2005
  A. Arnold, C. Holm
  
• Incorporation of excluded volume correlations into Poisson-Boltzmann theory. Phys. Rev. E 71, 061106 (2005)
  D. Antypov, M.C. Barbosa, C. Holm
  
• MMM1D: A method for calculating electrostatic interactions in one-dimensional periodic geometries. J. Chem. Phys. 123, 144103 (2005)
  A. Arnold, C. Holm
  
• ESPResSo - An Extensible Simulation Package for Research on Soft Matter Systems. Comp. Phys. Comm. 174, 704-727 (2006)
  H. J. Limbach, A. Arnold, B. A. Mann, C. Holm
  
• Modeling multi-body effects in ionic solutions with a concentration dependent dielectric permittivity. Phys. Rev. Lett. 96, 147801 (2006)
  B. Hess, C. Holm, N. van der Vegt
  
• Optimal cell approach to osmotic properties of finite stiff-chain polyelectrolytes. Phys. Rev. Lett. 96, 088302 (2006)
  D. Antypov, C. Holm
  
• Osmotic Coeffcients of atomistic NACI (aq) force-fields. J. Chem. Phys. 124, 164509 (2006)
  B. Hess, C. Holm, N. van der Vegt
  
• Simulating Charged Systems with ESPResSo. Proceedings of the Erice school Computer Simulations in Condensed Matter: from Matenals to Chemical Biology, Vol 1, eds. M. Ferrario, G. Ciccotti, K. Binder, lecture Notes in Physics 703, Springer Verlag, Berlin (2006)
  A. Arnold, B.A. Mann, C. Holm
  
• The Osmotic Behavior of Short Stiff Polyelectrolytes. Macromolecular Symposia 245-246, 297-306 (2006)
  Dmytro Antypov and Christian Holm
  
• Finite Size Polyelectrolyte Bundles at Thermodynamic Equilibrium. Europhys. Lett, 77 16001 (2007)
  M. Sayar and C. Holm
  
• Osmotic coefficient calculations for dilute solutions of short stiff-chain polyelectrolytes. Macromolecules 40, 731- 738 (2007)
  D. Antypov and C. Holm
  
• Stability of Hydrophobically Modified Poly(p-phenylene)sulfonate Bundles as Observed by Molecular Dynamics Simulation. Macromolecules, 40, 1703-1707 (2007)
  B. Hess, M. Sayar, C. Holm
  
• Polyelectrolytes-Theory and Simulations. In: Soft Matter: Scattering, Imaging and Manipulation, eds. R. Borsali and R. Pecora, Kluwer publishing, 2008
  C. Holm