Rod-like polyelectrolytes: Structure and dynamics in solution, melt, and solid state: Computer simulations and theory of rod-like polyelectrolytes

• Applicant: Professor Dr. Christian Holm
• Subject Area: Preparatory and Physical Chemistry of Polymers
• Term: from 2003 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5397820

• Final Report Year: 2008

Final Report Abstract

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.

Publications

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  C. Holm