Between the scales: Water from different perspectives

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Wassermodelle in sogenannten Multiskalen-Computersimulationen mit zwei Auflösungen untersucht, in atomistischer Auflösung und in einer vergröberten Auflösung, die als "coarse-grained" bezeichnet wird. In der atomistischen Auflösung wird ein Wassermolekül, entsprechend seiner chemischen Struktur, durch drei Atome beschrieben, im Gegensatz dazu wird ein Molekül in der coarse-grained Auflösung durch eine Kugel dargestellt.rnrnDie coarse-grained Modelle, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden mit verschiedenen coarse-graining Methoden entwickelt. Hierbei kommen hauptsächlich die "iterative Boltzmann Inversion" und die "iterative Monte Carlo Inversion" zum Einsatz. Beides sind struktur-basierte Ansätze, die darauf abzielen bestimmte strukturelle Eigenschaften, wie etwa die Paarverteilungsfunktionen, des zugrundeliegenden atomistischen Systems zu reproduzieren. Zur automatisierten Anwendung dieser Methoden wurde das Softwarepaket "Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining Applications" (VOTCA) entwickelt.rnrnEs wird untersucht, in welchem Maße coarse-grained Modelle mehrere Eigenschaftenrndes zugrundeliegenden atomistischen Modells gleichzeitig reproduzieren können, z.B. thermodynamische Eigenschaften wie Druck und Kompressibilität oder strukturelle Eigenschaften, die nicht zur Modellbildung verwendet wurden, z.B. das tetraedrische Packungsverhalten, welches für viele spezielle Eigenschaft von Wasser verantwortlich ist.rnrnMit Hilfe des "Adaptive Resolution Schemes" werden beide Auflösungen in einer Simulation kombiniert. Dabei profitiert man von den Vorteilen beider Modelle:rnVon der detaillierten Darstellung eines räumlich kleinen Bereichs in atomistischer Auflösung und von der rechnerischen Effizienz des coarse-grained Modells, die den Bereich simulierbarer Zeit- und Längenskalen vergrössert.rnrnIn diesen Simulationen kann der Einfluss des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks auf die Hydration von Fullerenen untersucht werden. Es zeigt sich, dass die Struktur der Wassermoleküle an der Oberfläche hauptsächlich von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Fulleren und Wasser und weniger von dem Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird.rn

Water is one of the most frequently studied fluids on earth. In this thesis, water was investigated at two resolutions using multi-scale computer simulation techniques. First, the atomistic and coarse-grained resolutions were studied separately. In the atomistic resolution, a~water molecule is described chemically by three atoms, while in the coarse-grained case, a~molecule is modeled by a~sphere.rnrnIn this work, various coarse-grained models have been developed using different coarse-graining techniques, mainly iterative Boltzmann inversion and iterative inverse Monte Carlo, which are structure-based approaches that aim to reproduce distributions, such as the pair distribution functions, of the atomistic model. In this context the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining applications (VOTCA) was developed.rnrnIt was studied to which extent the coarse-grained models can simultaneously reproduce several properties of the underlying atomistic model, such as thermodynamic properties like pressure and compressibility or structural properties, which have not been used in the coarse-graining process, e.g. the tetrahedral packing behavior, which is responsible for many special properties of water.rnrnSubsequently, these two resolutions were combined using the adaptive resolution scheme, which combines the advantage of atomistic details in a~small cavity of high resolution with the computational efficiency of the coarse-grained model in order to access larger time and length scales. In this scheme, the introduced coarse-grained models were used to study the influence of the hydrogen bonds on the hydration of small fullerenes. It was found that the interface structure is more dependent on the nature of the interaction between the solute and water molecules than on the presence of the hydrogen bond network.rn