Revealing atomic-scale details in the force fields above carbonate surfaces

Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie fundamentaler Eigenschaften der Kalzit CaCO3(10.4) und verwandter Mineraloberflächen dar, welche nicht nur durch die Verwendung von Nichtkontakt Rasterkraftmikroskopie, sondern hauptsächlich durch die Messung von Kraftfeldern ermöglicht wurde. Die absolute Oberflächenorientierung sowie der hierfür zugrundeliegende Prozess auf atomarer Skala konnten erfolgreich für die Kalzit (10.4) Oberfläche identifiziert werden.rnDie Adsorption chiraler Moleküle auf Kalzit ist relevant im Bereich der Biomineralisation, was ein Verständnis der Oberflächensymmetrie unumgänglich macht. Die Messung des Oberflächenkraftfeldes auf atomarer Ebene ist hierfür ein zentraler Aspekt. Eine solche Kraftkarte beleuchtet nicht nur die für die Biomineralisation wichtige Wechselwirkung der Oberfläche mit Molekülen, sondern enthält auch die Möglichkeit, Prozesse auf atomarer Skala und damit Oberflächeneigenschaften zu identifizieren.rnDie Einführung eines höchst flexiblen Messprotokolls gewährleistet die zuverlässige und kommerziell nicht erhältliche Messung des Oberflächenkraftfeldes. Die Konversion der rohen ∆f Daten in die vertikale Kraft Fz ist jedoch kein trivialer Vorgang, insbesondere wenn Glätten der Daten in Frage kommt. Diese Arbeit beschreibt detailreich, wie Fz korrekt für die experimentellen Bedingungen dieser Arbeit berechnet werden können. Weiterhin ist beschrieben, wie Lateralkräfte Fy und Dissipation Γ erhalten wurden, um das volle Potential dieser Messmethode auszureizen.rnUm Prozesse auf atomarer Skala auf Oberflächen zu verstehen sind die kurzreichweitigen, chemischen Kräfte Fz,SR von größter Wichtigkeit. Langreichweitige Beiträge müssen hierzu an Fz angefittet und davon abgezogen werden. Dies ist jedoch eine fehleranfällige Aufgabe, die in dieser Arbeit dadurch gemeistert werden konnte, dass drei unabhängige Kriterien gefunden wurden, die den Beginn zcut von Fz,SR bestimmen, was für diese Aufgabe von zentraler Bedeutung ist. Eine ausführliche Fehleranalyse zeigt, dass als Kriterium die Abweichung der lateralen Kräfte voneinander vertrauenswürdige Fz,SR liefert. Dies ist das erste Mal, dass in einer Studie ein Kriterium für die Bestimmung von zcut gegeben werden konnte, vervollständigt mit einer detailreichen Fehleranalyse.rnMit der Kenntniss von Fz,SR und Fy war es möglich, eine der fundamentalen Eigenschaften der CaCO3(10.4) Oberfläche zu identifizieren: die absolute Oberflächenorientierung. Eine starke Verkippung der abgebildeten Objekte

Neue Methoden zur Computersimulation von Polymersystemen auf verschiedenen Längenskalen und ihre Anwendungen

In dieser Dissertation stellen wir einen neuen Ansatz zurModellierungvon Polymersystemen vor. Es werden (von methodischer Seiteher) zweiautomatisierte Iterationschemata dazu eingeführt,Kraftfeldparametermesoskopischer Polymersysteme systematisch zu optimieren:DasSimplex-Verfahren und das Struktur-Differenzen-Verfahren. Sowerdendiejenigen Freiheitsgrade aus Polymersystemen eliminiert,die einehohe Auflösung erfordern, was die Modellierung größerersystemeermöglicht. Nach Tests an einfachen Flüssigkeiten werdenvergröberteModelle von drei prototypischen Polymeren (Polyacrylsäure,Polyvinylalkohol und Polyisopren) in unterschiedlichenUmgebungen(gutes Lösungsmittel und Schmelze) entwickelt und ihrVerhalten aufder Mesoskala ausgiebig geprüft. Die zugehörige Abbildung(vonphysikalischer Seite her) so zu gestalten, daß sie dieunverwechselbaren Charakteristiken jedes systems auf diemesoskopischeLängenskala überträgt, stellt eine entscheidende Anforderungan dieautomatisierten Verfahren dar. Unsere Studien belegen, daß mesoskopische Kraftfeldertemperatur- unddichtespezifisch sind und daher bei geändernden Bedingungennachoptimiert werden müssen. Gleichzeitig läßt sichabschätzen, beiwelchen Umgebungsbedingungen dies noch nicht notwendig wird.In allenFällen reichen effektive Paarpotentiale aus, einrealistischesmesoskopisches Modell zu konstruieren. VergröberteSimulationenwerden im Falle der Polyacrylsäure erfolgreich gegenexperimentelleLichtstreudaten getestet. Wir erzielen für Molmassen bis zu300000g/mol eine hervorragende Übereinstimmung für denhydrodynamischenRadius. Unsere Ergebnisse erklären auch Korrekturen zudessenVerhalten als Funktion der Kettenlänge ('Skalenverhalten'). Im Fallevon Polyisopren untersuchen wir sowohl statische als auchdynamischeGrößen und stellen klare Unterschiede unserer Ergebnisse zudeneneines einfachen semi-flexiblen Mesoskalenmodells fest. InderProteinforschung werden aus Datenbanken gewonnene effektivePaarwechselwirkungen dazu verwendet, die freie Energie einesneuensystems vorherzusagen. Wir belegen in einem Exkurs mittelsGittersimulationen, daß es selbst in einfachsten Fällennicht gelingt,dies auch nur qualitativ korrekt zu bewerkstelligen.

Störungstheoretische Behandlung relativistischer Korrekturen zu Gleichgewichtsstrukturen im Rahmen der Coupled-Cluster-Theorie

Quantenchemische Untersuchungen von Atomen und Molekülen haben in den letzten Jahren durch die systematische Erweiterung der Methoden und Computerresourcen zunehmend für die Interpretation und Vorhersage experimenteller Ergebnisse an Bedeutung gewonnen. Relativistische Effekte in der Chemie werden zum Beispiel für die gelbe Farbe von Gold und den flüssigen Aggregatzustand von Quecksilber verantwortlich gemacht und müssen daher in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Relativistische Effekte sind bei leichten Elementen oft so klein, daß sie in vielen quantenchemischen Betrachtungen vernachlässigt werden. Dennoch sind es gerade diese Beiträge, die verbleibende Abweichungen von noch so genauen nichtrelativistischen Rechnungen von ebenso genauen experimentellen Ergebnissen ausmachen können. Relativistische Effekte können auf viele Arten in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit ist die Störungstheorie. Ein derartiger Ansatz ist die Mass-velocity-Darwin-Näherung, ein anderer die Direkte Störungstheorie. Hier entspricht die relativistische Energiekorrektur erster Ordnung der ersten Ableitung der Energie nach einem relativistischen Störparameter. Für eine Bestimmung der Gleichgewichtsstruktur eines Moleküls müssen die Kräfte auf die Atomkerne bestimmt werden. Diese entsprechen einer ersten Ableitung der Gesamtenergie nach den Kernkoordinaten. Eine Einbeziehung der relativistischen Effekte auf diese Kräfte erfordert daher die gemischte zweite Ableitung der Energie nach dem relativistischen Störparameter und den Kernkoordinaten. Diese relativistischen Korrekturen wurden in dem quantenchemischen Programmpaket ACES2 implementiert. Ein Resultat dieser Arbeit ist, daß nun erstmalig eine Implementierung analytischer Gradienten für die Berechnung relativistischer Korrekturen zu Strukturparametern mit Hilfe der relativistischen Störungstheorie für den Coupled-Cluster-Ansatz bereit steht. Die Coupled-Cluster-Theorie eignet sich besonders gut für die hochgenaue Vorhersage von molekularen Eigenschaften, wie der Gleichgewichtsstruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Basissatzabhängigkeit der relativistischen Beiträge zu Energien, Strukturparametern und harmonischen Schwingungsfrequenzen im Detail untersucht. Für die hier untersuchten Moleküle sind die relativistischen Effekte und Effekte aufgrund der Elektronenkorrelation nicht additiv, so verkürzt die Berücksichtigung relativistischer Effekte bei Hartree-Fock-Rechnungen die Bindung in den Hydrogenhalogeniden, während die Einbeziehung der Elektronenkorrelation durch CCSD(T)-Rechnungen zu einer verlängerten Bindung im Fluorwasserstoff und weniger stark ausgeprägten Korrekturen im Chlor- und Bromwasserstoff führt. Für die anderen hier untersuchten mehratomigen Moleküle findet sich kein einheitlicher Trend; dies unterstreicht die Notwendigkeit expliziter Rechnungen. Damit steht ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug für die Berechnung relativistischer Korrekturen auf verschiedenste molekulare Eigenschaften zur Verfügung, das mit modernen, systematisch verbesserbaren quantenchemischen Methoden verknüpft ist. Hiermit ist es möglich, hochgenaue Rechnungen zur Vorhersage und Interpretation von Experimenten durchzuführen.

Thermodynamic concepts in adaptive resolution simulations

This thesis work is devoted to the conceptual and technical development of the Adaptive Resolution Scheme (AdResS), a molecular dynamics method that allows the simulation of a system with different levels of resolution simultaneously. The simulation domain is divided into high and low resolution zones and a transition region that links them, through which molecules can freely diffuse.rnThe first issue of this work regards the thermodynamic consistency of the method, which is tested and verified in a model liquid of tetrahedral molecules. The results allow the introduction of the concept of the Thermodynamic Force, an external field able to correct spurious density fluctuations present in the transition region in usual AdResS simulations.rnThe AdResS is also applied to a system where two different representations with the same degree of resolution are confronted. This simple test extends the method from an Adaptive Resolution Scheme to an Adaptive Representation Scheme, providing a way of coupling different force fields based on thermodynamic consistency arguments. The Thermodynamic Force is successfully applied to the example described in this work as well.rnAn alternative approach of deducing the Thermodynamic Force from pressure consistency considerations allows the interpretation of AdResS as a first step towards a molecular dynamics simulation in the Grand Canonical ensemble. Additionally, such a definition leads to a practical way of determining the Thermodynamic Force, tested in the well studied tetrahedral liquid. The effects of AdResS and this correction on the atomistic domain are analyzed by inspecting the local distribution of velocities, radial distribution functions, pressure and particle number fluctuation. Their comparison with analogous results coming from purely atomistic simulations shows good agreement, which is greatly improved under the effect of the external field.rnA further step in the development of AdResS, necessary for several applications in biophysics and material science, consists of its application to multicomponent systems. To this aim, the high-resolution representation of a model binary mixture is confronted with its coarse-grained representation systematically parametrized. The Thermodynamic Force, whose development requires a more delicate treatment, also gives satisfactory results.rnFinally, AdResS is tested in systems including two-body bonded forces, through the simulation of a model polymer allowed to adaptively change its representation. It is shown that the distribution functions that characterize the polymer structure are in practice not affected by the change of resolution.rnThe technical details of the implementation of AdResS in the ESPResSo package conclude this thesis work.

Charge transport in amorphous organic semiconductors

Organic semiconductors with the unique combination of electronic and mechanical properties may offer cost-effective ways of realizing many electronic applications, e.g. large-area flexible displays, printed integrated circuits and plastic solar cells. In order to facilitate the rational compound design of organic semiconductors, it is essential to understand relevant physical properties e.g. charge transport. This, however, is not straightforward, since physical models operating on different time and length scales need to be combined. First, the material morphology has to be known at an atomistic scale. For this atomistic molecular dynamics simulations can be employed, provided that an atomistic force field is available. Otherwise it has to be developed based on the existing force fields and first principle calculations. However, atomistic simulations are typically limited to the nanometer length- and nanosecond time-scales. To overcome these limitations, systematic coarse-graining techniques can be used. In the first part of this thesis, it is demonstrated how a force field can be parameterized for a typical organic molecule. Then different coarse-graining approaches are introduced together with the analysis of their advantages and problems. When atomistic morphology is available, charge transport can be studied by combining the high-temperature Marcus theory with kinetic Monte Carlo simulations. The approach is applied to the hole transport in amorphous films of tris(8-hydroxyquinoline)aluminium (Alq3). First the influence of the force field parameters and the corresponding morphological changes on charge transport is studied. It is shown that the energetic disorder plays an important role for amorphous Alq3, defining charge carrier dynamics. Its spatial correlations govern the Poole-Frenkel behavior of the charge carrier mobility. It is found that hole transport is dispersive for system sizes accessible to simulations, meaning that calculated mobilities depend strongly on the system size. A method for extrapolating calculated mobilities to the infinite system size is proposed, allowing direct comparison of simulation results and time-of-flight experiments. The extracted value of the nondispersive hole mobility and its electric field dependence for amorphous Alq3 agree well with the experimental results.

Molekulardynamik-Simulationen supramolekularer Komplexe unter Einfluss einer externen Kraft

Supramolekulare Komplexe werden durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Legt man eine externe Kraft an einen solchen Komplex an, ist es möglich, diese Bindungen zu öffnen. Anhand der dafür benötigten Kraft läßt sich die Stabilität des Komplexes bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei supramolekulare Komplexe, die unterschiedliche Arten von nichtkovalenten Bindungen enthalten, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen untersucht. In beiden Fällen wurden die relevanten Bindungsstrukturen und deren Stabilität ermittelt.rnZum einen wurden zwei synthetische Calix[4]aren-Catenan-Dimersysteme betrachtet, in denen die beiden Monomere über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden sind. Die Besonderheit dieser Komplexe ist, dass die Monomere aufgrund von verschlauften Alkylketten (Catenan-Struktur) nicht vollständig voneinander getrennt werden können. In Abhängigkeit der Länge derrnAlkylketten findet man für die beiden Komplexe eine unterschiedliche Zahl von relevanten Bindungsstrukturen (Zustände). Für ein System mit relativ kurzen Alkylketten findet man zwei Zustände, eine kompakte Struktur, die auch im Gleichgewicht beobachtet wird und eine gestreckte Struktur, die nur unter dem Einfluss der externen Kraft stabil ist. Verlängert man die Alkylketten,rnbeobachtet man einen weiteren Zustand, in dem das Dimer vollständig gestreckt ist und die Monomere eine größere Separation aufweisen.rnBei dem zweiten System, das untersucht wurde, handelte es sich um einen Carbohydrat-Kation-Carbohydrat Komplex, der für die Selbstadhäsion von Meeresschwämmen eine wichtige Rolle spielt. Experimentell ist bekannt, dass sich dieser Komplex zwar mit Calciumionen, nicht aber mit Magnesiumionen bildet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die wesentlichen Unterschiede der beiden Kationarten in Bezug auf die Komplexbildung auf den kleineren Ionenradius des Magnesiumions zurückzuführen sind. Aufgrund des kleineren Radius bindet ein solvatisiertes Magnesiumion die Hydrathülle stärker und die Komplexbindung wird kinetisch gehemmt. Zum anderen bindet im Magnesiumkomplex nur eines der beiden Carbohydrate direkt an das Kation.rnDas andere Carbohydrat bindet nur indirekt über ein Wassermolekül an das Kation. Da diese indirekte Bindung gegenüber einer direkten Bindung schwächer ist, weist der Magensiumkomplex eine geringere Stabilität auf als ein vergleichbarer Calciumkomplex.rnDes Weiteren wurde untersucht, inwieweit die Ergebnisse von MD Simulationen vom verwendeten Modell (Kraftfeld) abhängen. Allgemein ist bekannt, dass die Ergebnisse von Gleichgewichtssimulationen kraftfeldabhängig sind. Im Rahmen diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für Zugsimulationen, in denen eine externe Kraft an das System angelegt wird, eine ähnliche Kraftfeldabhängigkeit ergibt. Da sich die Unterschiede der Ergebnisse auf Unterschiede in den Gleichgewichtssimulationen zurückführen lassen, kann man annehmen, dass die externe Kraft keine zusätzliche Einschränkung in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Kraftfelder darstellt.rnAbgesehen von den MD Simulationen wurde eine in der Literatur beschriebene Methode zur Analyse von Zweizustandssystemen unter dem Einfluss einer konstanten externen Kraft erweitert. Ein Komplex läßt sich als Zweizustandssystem beschreiben, wenn dieser zwei relevante Bindungsstrukturen aufweist. Wird an solch einen Komplex eine konstante Kraft angelegt, lassen sich Übergänge zwischen den beiden Zuständen beobachten. Ist das System weit entfernt vom Gleichgewicht, kann es problematisch sein, einen der beiden Übergänge vollständig aufzulösen. In diesen Fällen wird nun vorgeschlagen, die beiden Übergänge zu einem sogenannten Kreisübergang zusammen zu fassen und diese zu zählen. Bestimmt man die Zahl der Übergänge pro Zeit in Abhängigkeit der angelegten Kraft, können die Übergangsraten bestimmt werden. Um die Methode zu validieren wurden kinetische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass schon mit relativ kleinen Datensätzen gute Ergebnisse erzielt werden können.

Computer simulations of slowly relaxing systems in external fields

Eine der offenen Fragen der aktuellen Physik ist das Verständnis von Systemen im Nichtgleichgewicht. Im Gegensatz zu der Gleichgewichtsphysik ist in diesem Bereich aktuell kein Formalismus bekannt der ein systematisches Beschreiben der unterschiedlichen Systeme ermöglicht. Um das Verständnis über diese Systeme zu vergrößern werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Systeme studiert, die unter einem externen Feld ein starkes nichtlineares Verhalten zeigen. Hierbei handelt es sich zum einen um das Verhalten von Teilchen unter dem Einfluss einer extern angelegten Kraft und zum anderen um das Verhalten eines Systems in der Nähe des kritischen Punktes unter Scherung. Das Modellsystem in dem ersten Teil der Arbeit ist eine binäre Yukawa Mischung, die bei tiefen Temperaturen einen Glassübergang zeigt. Dies führt zu einer stark ansteigenden Relaxationszeit des Systems, so dass man auch bei kleinen Kräften relativ schnell ein nichtlineares Verhalten beobachtet. In Abhängigkeit der angelegten konstanten Kraft können in dieser Arbeit drei Regime, mit stark unterschiedlichem Teilchenverhalten, identifiziert werden. In dem zweiten Teil der Arbeit wird das Ising-Modell unter Scherung betrachtet. In der Nähe des kritischen Punkts kommt es in diesem Modell zu einer Beeinflussung der Fluktuationen in dem System durch das angelegte Scherfeld. Dies hat zur Folge, dass das System stark anisotrop wird und man zwei unterschiedliche Korrelationslängen vorfindet, die mit unterschiedlichen Exponenten divergieren. Infolgedessen lässt sich der normale isotrope Formalismus des "finite-size scaling" nicht mehr auf dieses System anwenden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie dieser auf den anisotropen Fall zu verallgemeinern ist und wie damit die kritischen Punkte, sowie die dazu gehörenden kritischen Exponenten berechnet werden können.