Simulation von Protonentransport

Die physikalischen Grundgesetze, die die Eigenschaften aller Substanzen bestimmen, zeichnen sich durch große Einfachheit aus. Das Zusammenwirken von vielen molekularen Bestandteilen in kondensierter Materie, wie zum Beispiel in Flüssigkeiten und in Festkörpern, kann jedoch zu sehr komplexem Verhalten führen. Wenige Systeme zeigen uns, wie Komplexität aus einfachen Bestandteilen entstehen kann deutlicher als flüssiges Wasser. Trotz der äußerst simplen Struktur des Wassermoleküls und trotz der immensen Bedeutung von Wasser für alles Leben, stellt diese faszinierende Flüssigkeit immer noch eine Herausforderung für die Wissenschaft dar. Insbesondere ist die Rolle des Wassers in zahlreichen chemischen und biologischen Prozessen nur unzureichend verstanden. Die Arbeit in der Forschungsgruppe um Professor Dellago zielt darauf ab, mit Hilfe von Computersimulationen die mikroskopische Dynamik von solchen komplexen Systemen zu verstehen. Unter Anwendung moderner Computertechnologie können Simulationen als "virtuelles Mikroskop" verwendet werden, mit dem man die Bewegung vieler auf komplizierte Weise miteinander wechselwirkender Moleküle im Detail verfolgen und damit ein Verständnis komplexer Materialien auf einer mikroskopischen Ebene erreichen kann. Schwerpunkt des in diesem Projektantrag beschriebenen Forschungsprogramms ist die Computersimulation von Protonentransport in Systemen mit Wasserstoffbrückenbindungen. Der Transport von Protonen ist für eine Vielzahl von Prozessen, die von der ATP Synthese in lebenden Zellen und der Katalyse in Enzymen bis zur Erzeugung elektrischer Energie in Brennstoffzellen sowie der Chlorchemie an stratosphärischen Eiskristallen reichen, von größter Bedeutung. Nichtsdestotrotz versteht man Protonentransport in wässrigen Systemen nur teilweise. Bei diesem Prozess spielen Wasserstoffbrückenbindungen, die auch für die meisten anderen bemerkenswerten Eigenschaften von flüssigem Wasser verantwortlich sind, eine zentrale Rolle. Entlang von Wasserstoffbrückenbindungen können Protonen leicht von einem Wassermolekül auf ein benachbartes überwechseln. Dabei verwandelt sich eine Wasserstoffbrückenbindung in eine chemische Bindung und umgekehrt. Mit wirksamen, jedoch rechnerisch aufwendigen numerischen Verfahren, an deren Entwicklung Prof. Dellagos Forschungsgruppe beteiligt ist, kann Protonentransfer am Computer simuliert und analysiert werden. In diesem Projekt wird die Untersuchung von Protonentransport in flüssigem Wasser und Glycerol, in hexagonalem Eis und in wassergefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren im Mittelpunkt stehen. Die aus diesen Simulationen gewonnene detaillierte Information soll Aufschluss darüber bringen, auf welche Weise Wassermoleküle an diesen fundamentalen Prozessen teilnehmen und diese beeinflussen.

Die physikalischen Grundgesetze, die die Eigenschaften aller Substanzen bestimmen, zeichnen sich durch große Einfachheit aus. Das Zusammenwirken von vielen molekularen Bestandteilen in kondensierter Materie, wie zum Beispiel in Flüssigkeiten und in Festkörpern, kann jedoch zu sehr komplexem Verhalten führen. Wenige Systeme zeigen uns, wie Komplexität aus einfachen Bestandteilen entstehen kann deutlicher als flüssiges Wasser. Trotz der äußerst simplen Struktur des Wassermoleküls und trotz der immensen Bedeutung von Wasser für alles Leben, stellt diese faszinierende Flüssigkeit immer noch eine Herausforderung für die Wissenschaft dar. Insbesondere ist die Rolle des Wassers in zahlreichen chemischen und biologischen Prozessen nur unzureichend verstanden. Die Arbeit in der Forschungsgruppe um Professor Dellago zielt darauf ab, mit Hilfe von Computersimulationen die mikroskopische Dynamik von solchen komplexen Systemen zu verstehen. Unter Anwendung moderner Computertechnologie können Simulationen als "virtuelles Mikroskop" verwendet werden, mit dem man die Bewegung vieler auf komplizierte Weise miteinander wechselwirkender Moleküle im Detail verfolgen und damit ein Verständnis komplexer Materialien auf einer mikroskopischen Ebene erreichen kann. Schwerpunkt des in diesem Projektantrag beschriebenen Forschungsprogramms ist die Computersimulation von Protonentransport in Systemen mit Wasserstoffbrückenbindungen. Der Transport von Protonen ist für eine Vielzahl von Prozessen, die von der ATP Synthese in lebenden Zellen und der Katalyse in Enzymen bis zur Erzeugung elektrischer Energie in Brennstoffzellen sowie der Chlorchemie an stratosphärischen Eiskristallen reichen, von größter Bedeutung. Nichtsdestotrotz versteht man Protonentransport in wässrigen Systemen nur teilweise. Bei diesem Prozess spielen Wasserstoffbrückenbindungen, die auch für die meisten anderen bemerkenswerten Eigenschaften von flüssigem Wasser verantwortlich sind, eine zentrale Rolle. Entlang von Wasserstoffbrückenbindungen können Protonen leicht von einem Wassermolekül auf ein benachbartes überwechseln. Dabei verwandelt sich eine Wasserstoffbrückenbindung in eine chemische Bindung und umgekehrt. Mit wirksamen, jedoch rechnerisch aufwendigen numerischen Verfahren, an deren Entwicklung Prof. Dellagos Forschungsgruppe beteiligt ist, kann Protonentransfer am Computer simuliert und analysiert werden. In diesem Projekt wird die Untersuchung von Protonentransport in flüssigem Wasser und Glycerol, in hexagonalem Eis und in wassergefüllten Kohlenstoff-Nanoröhren im Mittelpunkt stehen. Die aus diesen Simulationen gewonnene detaillierte Information soll Aufschluss darüber bringen, auf welche Weise Wassermoleküle an diesen fundamentalen Prozessen teilnehmen und diese beeinflussen.