Molekulare Struktur in der Kontaktzone und Wechselwirkung

SPP 1486 „Partikel im Kontakt“ (PiKo)
Molekulare Struktur in der Kontaktzone und
Wechselwirkung zwischen Partikeln:
Molekulare Simulation Modellierung und exp. Aufklärung
Universität für Bodenkultur Wien
Antragsteller:
Prof. Dr. M. Wendland
Institut für Verfahrens- und Energietechnik, Universität für Bodenkultur Wien, Muthgasse 107, A-1190 Wien
MOLEKULARE SIMULATION
UND MEAN FORCE-METHODE
PARTIKEL-WAND- UND PARTIKEL-PARTIKEL-KONTAKTE
Mit Hilfe der molekularen Simulation kann man
die Struktur adsorbierter Molekülschichten an
den Oberflächen von Partikeln und Wänden aus
den molekularen Wechselwirkungen berechnen.
Bereits im SPP 1155:
Lennard-Jones-Kugeln (Größenverhältnis Solvent : gelöstes Teilchen 1 : 5) adsorbiert an eine
ungeladene Wand [5]
Projekt „Adsorption aus verdünnten Lösungen“
im DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1155
„Molekulare Modellierung und Simulation in der
Verfahrenstechnik“ [1]:
Für verdünnte Lösungen gibt die konventionelle
MD-Simulation keine befriedigenden Ergebnisse im Bulk. Deshalb wurde die Mean-Force(MF) Methode entwickelt [2-7].
In die Mean Force (MF, <F(r )>), bzw. mittlere
Kraft auf das Solvatmolekül gehen neben der
direkten Wandkraft noch die mittleren Kräfte aus
den Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittelmolekülen ein. Sie treibt das Solvatmolekül zur
Wandoberfläche oder hält es von ihr fern. Aus
der MF erhält man das Potential der mittleren
Kraft (potential of mean force, PMF) über
Δw = -∫<F > d r
(1)
und daraus die Struktur der adsorbierten
Schichten als Dichteprofil
n(r2)/n(r1) = exp{Δw} .
(2)
Vorhaben (1. und 2. Jahr):
Realistischere Modelle:
Lösungsmittel: Wasser (atomar aufgelöst)
Partikel: atomar aufgelöst (sehr rechenzeitintensiv bei großen Partikeln) oder
coarce-grained („verschmiert“) z.B. Gay-BernesPotential
PMF bzw. MF zwischen Partikel und Wand
zusammen mit der Lösungsmittelstruktur in der
Kontaktzone:
• Berechnung von Adsorptionsisothermen
Testsystem:
Ethan aus flüssigem Methan [5]
Abstand
Ersetzen der Wand durch zweites (fixes)
Partikel:
PMF bzw. MF zwischen zwei Partikeln
zusammen mit der Lösungsmittelstruktur in der
Kontaktzone
PMF
Bei der konventionellen Simulation (Punkte)
sind Ergebnisse von der Startposition (●)
abhängig, die MF-Simulation (Kurve) gibt
glattere Ergebnisse.
Röntgenstreuung:
Durch
Röntgenstreuung
(XRD)
können
Partikelsysteme charakterisiert werden. Die in
der ersten Antragsperiode untersuchten recht
kleinen Systeme können sehr gut mit der
Kleinwinkelröntgenstreuung (small angle X-ray
scattering SAXS) untersucht werden. SAXS
eignet
sich
zur
Strukturanalyse
von
Nanopartikeln von 1 bis 100 nm und liefert die
Paarkorrelationsfunktion, die man analog zu
Glg.
g 2 aus der PMF bestimmen kann. Die
Messungen sollen von Prof. Peterlik von der
Universität Wien durchgeführt werden, der eine
der neusten und stärksten Laborröntgenquellen
für SAXS und sehr viel Erfahrung verfügt.
Rasterkraftnmikroskopie:
Man kann also bereits mit solchen kleinen und
einfachen Systemen Partikel-Wand-Kräfte und
ihren Zusammenhang mit physikalisch-chemischen Vorgängen in der Kontaktzone besser
verstehen lernen.
lernen
PMF
• Berechnung der Adsorbatstruktur
Beispiel:
Benzol aus Wasser an hydrophober Wand [3]
EXPERIMENTELLE METHODEN
Die MF entspricht der Kraft, die man mit
Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) misst. D.h., es ist ein direkter
Vergleich von MD-Simulation mit dem
E
Experiment
i
t möglich,
ö li h wenn man im
i Weiteren
W it
realistischere Systeme simuliert.
KRAFTFELDER
Zur Simulation realistischer Systeme sind
Kraftelder notwendig, die z.B. aus der Quantenmechanik kommen, aber auch z.T. an Experimente angepaßt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
• Es
sollen
die
physikalisch-chemischen
Vorgänge innerhalb der Kontaktzone PartikelPartikel bzw. Partikel-Wand durch molekulare
Simulation aufgeklärt werden.
• Molekulare
Simulationen
können
die
Strukturen in den (adsorbierten) Molekülschichten in der Kontaktzone liefern.
• Die MF-Methode erlaubt es aus den
Strukturen die Wechselwirkungen PartikelP tik l bzw.
Partikel
b
P tik l W d zu berechnen.
Partikel-Wand
b
h
• Dies kann dazu beitragen, die Wechselwirkungen und die physikalisch-chemischen Vorgänge
in der Kontaktzone besser zu verstehen und zu
modellieren.
• Bessere Modelle der Partikel-Partikel- und
Partikel-Wand-Wechselwirkungen sind für eine
kontinuumsmechanische Beschreibung oder
Simulation von Partikelsystemen notwendig.
• Die Ergebnisse können mit experimentellen
Methoden (SAXS, AFM) überprüft werden
LITERATUR
Abstand
PMF
Weitere Möglichkeiten: Man kann auch
adsorbierte Schichten (z.B. Wasser) in Luft oder
Vakuum und dann daraus den Partikel-PartikelKontakt berechnen
Für das einfache Modellsystem Ethan-Methan
wurde im SPP 1155 die Überlegenheit der MFSimulation (●) gegenüber der konventionellen
of Natural
Resources
and Applied
Life Sciences, Vienna
(x,University
▲) gezeigt
[5] (Die
Kurven (──,
- - ) sind
angepasste
Henry-Engineering
DepartmentLangmuir
of MaterialGleichungen,
Sciences and····
Process
Tangente).
Abstand
[1] M. Wendland, J. Fischer, Projektantrag „Adsorption
aus verdünnten Lösungen“ im DFG SPP 1155, 1997,
Az We 2866/1-3,.
[2] W. Billes, F. Bazant-Hegemark, M. Mecke, M.
Wendland, J. Fischer, Langmuir 19, 10862 (2003).
[3] R.Tscheliessnig, W. Billes, M. Wendland, J. Fischer,
J. Kolafa, Molecular Simulation 31, 661(2005).
[4] W. Billes, R. Tscheliessnig, J. Fischer,
Acta Biochimica Polonica 52,
52 685(2005).
685(2005)
[5] W. Billes, R. Tscheliessnig, L. Sobczak, M.
Wendland, J. Fischer, J. Kolafa ,Molecular Simulation
33, 655(2007).
[6] R. Tscheliessnig, M. Wendland, J. Fischer,
AIChE Journal 54, 2479 (2008).
[7] S. Leroch, R. Tscheliessnig, M. Wendland, J.
Fischer, Soft Material, eingereicht 2009 (Endbericht
SPP1155).