Statische und dynamische Eigenschaften von lösungsmittelfreien Modellen für flüssige Doppelschichtmembranen

Abstract

Kollektive Phänomene in Lipidmembranen, wie die Porenbildung und die Fusion, die Selbstorganisation zu Doppelschichten oder die laterale Entmischung mehrerer Lipidsorten haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt. All diese Phänomene eint die Tatsache, dass sie auf mesoskopischen Skalen, also Mikrometern und Mikrosekunden, stattfinden. Diese Skalen sind zu klein um in Experimenten direkt beobachtet werden zu können, sie sind aber auf Grund der Vielzahl der beteiligten Freiheitsgrade zu groß für Computersimulationen mit atomarer Auflösung. Vergröberte Modelle verfügen über erheblich weniger Freiheitsgrade und weichere Potentiale und gestatten eine qualitative Untersuchung dieser Phänomene mittels Computersimulationen.Im Rahmen dieser Arbeit wird ein vergröbertes, lösungsmittelfreies Modell für die Simulation von Doppelschichten amphiphiler Moleküle präsentiert und eingehend untersucht. Die Moleküle werden durch lineare Ketten von Punktteilchen beschrieben, die über Federn miteinander verbunden sind. Die ungebundenen Wechselwirkungen entstammen einem klassischen, gewichteten Dichtefunktional für die Freie Energie, das eine Entwicklung bis zur dritten Ordnung in gewichteten molekularen Dichten darstellt. Die auftretenden Entwicklungskoeffizienten und Wichtungsfunktionen ermöglichen es, im Rahmen einer Mean-Field-Näherung die Zustandsgleichung und die lokale Flüssigkeitsstruktur unabhängig voneinander vorzugeben. Wir verwenden Dissipative Particle Dynamics (DPD) Simulationen um die Eigenschaften des Modells numerisch zu untersuchen.Wir untersuchen die Selbstorganisation zu kondensierten Morphologien, das Phasendiagramm von Doppelschichten sowie strukturelle und mechanische Eigenschaften der flüssigen Phase (Lα) und einer Gelphase (Lβ), darunter den statischen Strukturfaktor, die Biegesteifigkeit und die Flächenkompressibilität. Es werden vier Verfahren zur präzisen Lokalisierung des Hauptphasenübergangs (Lβ ↔ Lα) aufgezeigt und die Freie Energie wird als Funktion eines Konformations-Ordnungsparameters berechnet. Die Linienspannung zwischen beiden Phasen wird über das Fluktuationsspektrum der Kontaktlinie und aus der Höhe der freien Energie-Barriere berechnet und verglichen.Weiterhin untersuchen wir die Brown'sche Bewegung einzelner Moleküle, sowie die kollektive Bewegung von Molekülclustern anhand der mittleren quadratischen Verschiebung, der Geschwindigkeits-Autokorrelationsfunktion und des dynamischen Strukturfaktors. Kollektive Diffusion ist nur für sehr kurze Zeiten sichtbar; es existieren keine ausgedehnten Strömungsfelder. Wir untersuchen die Oberflächenviskosität und die Intermonolagenreibung mit jeweils zwei verschiedenen Methoden. Für die Berechnung der Intermonolagenreibung leiten wir eine neue Green-Kubo-Relation ab und präsentieren eine modifizierte Variante der Seifert-Langer-Theorie, die die Dynamik von Undulationsmoden in einem lösungsmittelfreien Modell beschreibt. Schließlich bilden wir unser Modell auf ein noch einfacheres Scheibenmodell ab, in dem alle intramolekularen Freiheitsgrade eliminiert sind, und untersuchen ob es möglich ist, die ausintegrierte Reibung der intramolekularen Freiheitsgrade einzig durch den DPD-Thermostaten zu modellieren