Modellierung und Simulation in der Chemie - DoMuS
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<strong>Modellierung</strong> <strong>und</strong> <strong>Simulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Chemie</strong><br />
Vom Molekülcluster zum Prote<strong>in</strong> <strong>und</strong> darüber h<strong>in</strong>aus<br />
Arbeitsgruppe Prof. Alfons Geiger<br />
Physikalische <strong>Chemie</strong>, Universität Dortm<strong>und</strong>
Ab <strong>in</strong>ito Berechnung H-brücken-geb<strong>und</strong>ener<br />
molekularer Cluster<br />
ethanol<br />
2,2-dimethyl-3-ethyl-3-pentanol (dmep)
Intermolekulare Schw<strong>in</strong>gungen<br />
Streckschw<strong>in</strong>gung <strong>der</strong> H-Brücke<br />
(88 cm -1 )<br />
Deformationsschw<strong>in</strong>gung <strong>der</strong> H-Brücke<br />
(110 cm -1 )
Quantum Cluster Equilibrium (QCE) Modell<br />
QCE<br />
M 1� M 2/2� M 3/3� ...� M c/c<br />
statistische<br />
Thermodynamik<br />
Q=Π q i ni / n i!<br />
q i=q i,trans q i, rot q i,vib q i,elek<br />
F. We<strong>in</strong>hold, J. Chem. Phys., 1998, 109, 367-372; 373-384.<br />
Thermodynamik<br />
Spektroskopie
NMR<br />
δ 1 H<br />
NMR chemische Verschiebungen<br />
OH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
OH<br />
654<br />
3 2 1
Molekulardynamik <strong>Simulation</strong><br />
r i (t) , v i (t)<br />
Fi (t) = Σ Δ<br />
-<br />
j<br />
Vij( rij , ij ) Ω<br />
V ij<br />
ri (t+ Δt) , vi (t+ Δt)<br />
F i = m i v i<br />
Iteratives Lösen<br />
<strong>der</strong> Newton'schen<br />
Bewegungsgleichung<br />
MD-Trajektorie<br />
'MD-Film'<br />
ρ = N / V<br />
Messgrößen<br />
s<strong>in</strong>d Ensemblemittelwerte<br />
Flüssigkeiten<br />
s<strong>in</strong>d wechselwirkende<br />
Vielteilchen-Systeme.<br />
Verwendung<br />
periodischer<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>Simulation</strong>.<br />
-15<br />
Δt 10 s<br />
< F( r N(t) , v N(t)<br />
) >
Metastabiles unterkühltes Wasser<br />
330 K, 270 K, 250 K<br />
•Dunkel: Stark verzerrte Tetrae<strong>der</strong><br />
•Hell : Nahezu ideale Tetrae<strong>der</strong>
Existenzbereich des flüssigen Wassers:<br />
Waters no man‘s land
Sprungdiffusion im unterkühlten Wasser<br />
Verän<strong>der</strong>ung des Diffusionsmechanismus im<br />
unterkühlten Wasser<br />
T=250 K
Dynamik unterkühler Flüssikeiten:<br />
Spezialfall „tetrahedral liquids“<br />
„Angell“-Plot des Diffusionskoeffizienten<br />
Starke Glasbildner<br />
Fragile Glasbildner<br />
Tetraedrische Flüssigkeiten nehmen e<strong>in</strong>e Zwischenposition e<strong>in</strong>
Defektdynamik im überhitzten Eis<br />
Analogie zur Defektdynamik im Eis (hier <strong>Simulation</strong>) liefert e<strong>in</strong>emögliche Erklärung<br />
für die molekulare Dynamik <strong>in</strong> <strong>der</strong> superviskosen Flüssigkeit (Bereich: IV)
Wäßrige Elektrolytlösungen<br />
Bevorzugte Assoziation von hydrophoben Teilchen <strong>und</strong><br />
Anionen (Hofmeister-Serie)<br />
Wäßrige Lösungen:<br />
c(X + Y - ) = 1.6 mol/l<br />
c(Xe)=0.8 mol/l<br />
T=300 K, p=1 atm<br />
Film (oben):<br />
Blau: Chlorid<br />
Rot: Natrium<br />
Weiß: Xenon<br />
Xe...NaY/H 2 O<br />
Xe...XCl/H 2 O
Phasengleichgewichte:Wasser <strong>in</strong> Poren<br />
Wasser <strong>in</strong> hydrophiler Pore<br />
Phasendiagramm des adsorb. Wassers<br />
Hydrophobe Poren<br />
Hydrophile Poren
Vorhersage von Phasengleichgewichten<br />
Perkolationsverhalten von Wasser/THF-Mischungen
Thermotrope Flüssigkristalle<br />
Beispiel e<strong>in</strong>er ferroelektrischen Flüssigkristall (FLC)-Phase<br />
Molekül: MHPOBC; Phase: SmC*; T=375 K, p=1 atm<br />
Antiferroelektrisches Verhalten; Sequenz: 12 ns
Orientierung <strong>der</strong> FLC-Moleküle<br />
Orientierung des Direktors <strong>in</strong><br />
beiden Schichten<br />
Orientierung <strong>und</strong> Lage <strong>der</strong><br />
CO-Gruppen
Hydratation biologischer Membranen<br />
Voll hydratisierte DPPC (Dipalmitoyl-glycero-phosphatidylchol<strong>in</strong>)-Doppelschicht<br />
Gel-Phase: Hohe Unordnung im Bereich <strong>der</strong> Alkylketten<br />
T=330 K; p=1 atm; Sequenz: 6 ns
Orientierung des Hydrat-Wassers
Orientierung <strong>der</strong> Kopfgruppen<br />
DPPC<br />
Atom-Atom-Paarverteilungsfunktionen<br />
P
E<strong>in</strong>bau von Anästhetika <strong>in</strong> die Membran
Hydratationsverhalten von Prote<strong>in</strong>en<br />
Struktur <strong>der</strong> hydratisierten S-Nase<br />
MD-<strong>Simulation</strong> <strong>der</strong> druck<strong>in</strong>duzierten Denaturierung
Mesoskopische Modelle<br />
Entwicklung vere<strong>in</strong>fachter „coarse<br />
gra<strong>in</strong>ed“ Dissipative Particle Dynamics<br />
(DPD)-Modelle<br />
Mit DPD-Modellen ist e<strong>in</strong> größerer<br />
Zeitbereich zugänglich als mittels<br />
atomistischer MD. Aber unter<br />
Verlußt des atomaren Details.<br />
Mapp<strong>in</strong>g <strong>der</strong> DPD-Parameter
Dank an:<br />
Ralf Ludwig<br />
Dietmar Paschek<br />
Amelie Rehtanz<br />
Ivan Brovchenko<br />
Frank Schmau<strong>der</strong><br />
Ralf Schmelter<br />
Nicolai Smol<strong>in</strong><br />
Sascha Nonn
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