Optimal Protokolle für Self-Assembly Prozesse

Dieser Antrag beschreibt eine Computersimulations-Studie mit dem Ziel, optimale experimentelle Bedingungen für Self-Assembly Prozesse zu finden und zu beschreiben. Self-Assembly Prozesse, in denen molekulare Bausteine von der typischen Größe einiger Nanometer zu geordneten und funktionellen Einheiten spontan zusammenfinden, sind allgegenwärtig in der Natur. Die erzeugten Strukturen, wie zum Beispiel Zellmembranen oder virale Kapside, zeichnen sich durch eine Vielzahl von Funktionen aus, sind robust und gleichzeitig anpassungsfähig. Versuche, die Self-Assembly Strategie auf im Labor erzeugte Nanoteilchen anzuwenden, um diese kostengünstig in Strukturen anzuordnen die ohne weiteres als technologische Bauteile verwendet werden können, scheitern allerdings allzu oft an einer Vielzahl von Defekten, die die Funktionalität der erzeugten Strukturen stark einschränken. Der Grund für dieses Scheitern ist die Tatsache, dass die kinetische Erreichbarkeit der geordneten, thermodynamisch stabilen Struktur oft nur für ganz bestimmte Werte einer Vielzahl von Parametern gegeben ist, die die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und die angewandten experimentellen Protokolle spezifizieren. Die hohe Anzahl dieser Parameter, zusammen mit dem Fehlen von Erfahrungswerten und empirischen Faustregeln zur Lokalisierung der optimalen Bedingungen, verhindert bis jetzt die Realisierung des vollen Potenzials von Self-Assembly Prozessen in Wissenschaft und Technik. Zur Lösung diese Problems entwickeln wir neue Methoden zur Simulation von Self-Assembly Prozessen, die es ermöglichen, optimale Wertebereiche von Parametern wie Stärke und spezifische Wirksamkeit von Wechselwirkungen zwischen Nanoteilchen, aber auch Eigenschaften des Lösungsmittels wie Ionenkonzentration oder Polarisierbarkeit zu finden. Als Basis fürs diese neuen Methoden dient Transition Path Sampling, eine Simulations-Strategie die es erlaubt, die dynamische Zeitentwicklung von Prozessen zu simulieren, die aufgrund von hohen Barrieren in der freien Energie nur selten vorkommen (wie zum Beispiel das Entstehen einer wohlgeordneten Struktur unter Bedingungen, die die Erzeugung von Defekten favorisieren) und mit Standard- Molekulardynamik nicht simuliert werden können. Wir schlagen zwei unterschiedliche Transition Path Sampling Algorithmen zur Optimierung einer gegebene Reihe von Parametern vor und testen diese an einfachen Modell- Systemen, bevor wir sie auf realistische Modelle derzeit im Experiment untersuchter Self-Assembly Prozesse von Nanoteilchen anwenden. Im nächsten Schritt erweitern wir die Anwendbarkeit der Algorithmen auf die Optimierung zeit- und ortsabhängige Protokolle wie elektrische Felder, Verdampfungsraten des Lösungsmittels oder Temperaturprotokolle. Im zweiten Teil der vorgeschlagenen Arbeit untersuchen wir die Eigenschaften der gefundenen, optimalen Wertebereiche mit dem Ziel, diese in der Form von einfachen Zusammenhängen zwischen wichtigen Parametern und Eigenschaften des Systems vorhersagen zu können. Um dies zu erreichen, untersuchen wir die Struktur des Raums der dynamischen Self-Assembly Pfade mit adaptierten freien Energie-Methoden, die ursprünglich für die Untersuchung dynamischer Eigenschaften von Gläsern entwickelt wurden. In der Rückkehrphase des Stipendiums wenden wir die entwickelten Methoden auf physikalische Prozesse an, die über Self-Assembly hinausgehen, namentlich die Optimierung molekularer Sonden die experimentell zur Untersuchung der Diffusion von Wassermolekülen an Oberflächen verwendet werden, und die Herstellung von Nanokristallen mit speziellen Oberflächeneigenschaften.

Im menschlichen Körper entstehen hoch komplexe Strukturen wie die Zellmembran oder die Chromosomen durch Self-Assembly, der spontanen Selbstorganisation vieler kleiner Biomoleküle. Könnte dieser Baumodus der Natur dazu verwendet werden, künstlich erzeugte Nano-Teilchen in vergleichbar komplexen Mustern anzuordnen, wären viele neue und aufregende Technologien leicht realisierbar. Es zeigt sich jedoch, dass Self-Assembly von Nano-Teilchen nur dann gut funktioniert, wenn sowohl die Kräfte zwischen den Teilchen als auch die äußeren Bedingungen optimal sind. Ist die nicht der Fall, entstehen nur ungeordnete Teilchen-Haufen. Wie können die für Self-Assembly optimalen Bedingungen gefunden werden, und was zeichnet sie aus? Das Projekt Optimale Protokolle für Self-Assembly Prozesse hat diese Frage mit Hilfe von neuen Methoden der Computer-Simulation für einige interessante Klassen von Nano-Teilchen beantwortet.?Das Projekt hat wesentlich dazu beigetragen, die Rolle der Form von Nano-Teilchen im Self-Asssembly Prozess zu verstehen. Unsere Simulationen zeigen, dass Nano-Teilchen in der Form von Polyedern einfache Strukturen formen können, die in der Mathematik als dichteste mögliche Packungen dieser Formen gelten. Werden allerdings anziehende Kräfte zwischen den Teilchen erzeugt, so formen diese weit komplexere Strukturen, die wegen ihrer starken Wechselwirkungen mit Licht interessant sind.?Komplexe Muster können auch mit kugelförmigen Nano-Teilchen erzeugt werden, sofern die Kräfte zwischen den Teilchen individuell angepasst werden können. Mit Hilfe einer neuen Simulations-Methode haben wir gezeigt, dass solche Teilchen sich dann am besten zu einer gewünschten Struktur zusammenfügen, wenn die Kräfte so beschaffen sind, dass fehlerhaft zusammengefügte Elemente wieder aufgelöst werden können. Im Widerspruch zu einer vor kurzem veröffentlichten Theorie zeigen unsere Simulationen klar, dass dazu oft ganz verschieden starke Kräfte notwendig sind. Aufbauend auf diesen Ergebnissen haben wir eine neue experimentelle Strategie entwickelt, die es ermöglicht in einer Hierarchie von Self-Assembly Prozessen Teilchen-Muster zu erzeugen, die in ihrer Komplexität den Strukturen im menschlichen Körper sehr ähnlich sind.?Noch komplexere Muster können durch die Verwendung von äußeren Kräften entstehen, wie zum Beispiel elektrische Felder oder mechanische Schüttel-Protokollen. Für den Fall von einfachen periodischen Kräften demonstrieren unsere Simulationen, wie Frequenz und Amplitude der Kraft verwendet werden können verschiedenartige Self-Assembly Muster zu erzeugen.?Kontrolliert ablaufende Self-Assembly Prozesse erlauben es, die Eigenschaften der erzeugten Struktur markant zu beeinflussen. Unsere Studie von Cadmiumselenid Nanokristallen sagt voraus, dass sich sowohl die strukturellen als auch die elektronischen Eigenschaften der Kristalle stark ändern, wenn sie durch Self-Assembly von einer Schale aus einem anderen Material umhüllt werden. Wird die Dicke der Schale richtig gewählt, so können die Kristalle sogar in einer Struktur vorkommen, die sie ansonsten nur bei extrem hohem Druck annehmen würde.