Monte-Carlo-Simulationen der Bildung von Gelen und Micellen mit helikater Überstruktur aus Bolaamphiphilen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Jörg Mögel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 32665067

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die meisten Autoren, die die Entstehung von helikalen Fasern aus amphiphilen Substanzen nachgewiesen haben, sind von chiralen Molekülen ausgegangen, deren Asymmetrie zu der Möglichkeit führt, durch H-Brückenbindungen chirale Assoziate zu bilden. In einigen Fällen konnte aber gezeigt werden, dass auch symmetrische nichtchirale Moleküle mit voluminösen Kopfgruppen durch hydrophobe Selbstassoziation zur Bildung chiraler Fasern neigen. Mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen konnte im Projekt erstmals gezeigt werden, dass eine vermutete geometrische Frustration einer parallelen Molekülanordnung durch große Kopfgruppen tatsächlich in der Lage ist, helikale Molekülassoziate aus symmetrischen achiralen Molekülen zu generieren. Dazu wurde ein coarse-grained Simulationsmodell verwendet, das neben der excluded-volume-Wechselwirkung wird nur ein square-well-Potenzial mit impliziter Berücksichtigung des Lösungsmittels enthält. Der Einfluss der wichtigen molekulargeometrischen Parameter Kettenlänge, Kopf/Ketten-Quer-schnittsverhältnis und Molekülsteifigkeit auf die Bildung von Phasen mit helikalen Assoziaten wurde untersucht. Unter Variation dieser Parameter wurden Phasendiagramme erstellt und die helikalen Strukturen qualitativ und quantitativ, z. B. durch die Ganghöhe, charakterisiert. Asymmetrische Bolaamphiphile können durch Paarbildung in nahezu antiparalleler Anordnung eine neue Baueinheit zur Ausbildung helikaler Fasern durch Selbstassoziation erzeugen. Als Nebenprodukt der Untersuchungen zeigte sich, dass auch starre amphiphile Moleküle mit nur einem großen Kopfbereich in der Lage sind, helikale Fasern zu bilden. Es wurde weiterhin getestet, bis zu welchem Grade die Moleküle flexibel sein dürfen, ohne ihre Fähigkeit zur Bildung helikaler Strukturen zu verlieren. Es wurde gefunden, dass auch der Ort teilflexibler Baueinheiten dafür von Bedeutung ist. Der Einfluss weiterer geometrischer Störfaktoren wurde studiert. Mit der Methode der Langevin-Dynamik-Simulationen wurde untersucht, unter welchen Bedingungen Mischmizellen entstehen können und wie ihre eventuellen Helixeigenschaften zu quantifizieren sind. Hier gab es erste interessante Ansätze, die aber erst in späteren Arbeiten vertieft werden können. Als Beispiel sei eine Mischung von symmetrischen starren Bolaamphiphilen mit flexiblen amphiphilen Molekülen erwähnt, die genau einem halben Bolamolekül entsprechen. Hier bilden die Bolaamphiphile eine Helix, in deren natürlichen räumlichen Lücken die flexiblen Moleküle als zweite Helix eingelagert sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• J. Phys. Chem. B112, 450 (2008). „Helical Nanofibers of Self-Assembled Phospholipids as Template for Gold nanoparticles”
  A. Meister, S. Drescher, I. Mey, M. Wahab, G. Graf, V. M. Garamus, G. Hause, H.-J. Mögel, A. Janshoff, B. Dobner, A. Blume
  
• “Self-assembly of surfactants in bulk solutions and at solid/liquid interfaces: Monte Carlo studies“. 4th International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems, Kiev, May 2008
  H.-J. Mögel, P. Schiller, U. Reimer, M. Wahab, T. Zehl
  
• J. Mol. Liq. 147, 178 (2009). „Monte Carlo studies on self-assembly of surfactants in aqueous solutions“
  T. Zehl, M. Wahab, R. Schmidt, P. Schiller, H.-J. Mögel
  
• “A Monte Carlo Study of Bolaform Amphiphiles into Associates with Helical Superstructures”. 13th IACIS International Conference on Surface and Colloid Science, New York, June 2009
  H.-J. Mögel, P. Schiller, M. Wahab, R. Schmidt
  
• Langmuir 26, 2979 (2010). „Monte Carlo Study of the Self-assembly of Achiral Bolaform Amphiphiles into Helical Nanofibers”
  M. Wahab, P. Schiller, R. Schmidt, H.-J. Mögel
  
• “Monte Carlo study of selfassembling behavior of some rigid surfactants”. 18th International symposium on Surfactants in Solutions, Melbourne, November 2010
  H.-J. Mögel, M. Wahab, P. Schiller, R. Schmidt
  
• „Computer Simulation of the Self-Assembly of Rigid Bolaform Amphiphiles into Helical Fibers“. International Soft Matter Conference, Grenada, July 2010
  M. Wahab, R. Wolf, P. Schiller, H.-J. Mögel