Structure formation of amphiphilic molecules at the air,water interface and after film transfer

One of the basic concepts of molecular self-assembly is that the morphology of the aggregate is directly related to the structure and interaction of the aggregating molecules. This is not only true for the aggregation in bulk solution, but also for the formation of Langmuir films at the air/water interface. Thus, molecules at the interface do not necessarily form flat monomolecular films but can also aggregate into multilayers or surface micelles. In this context, various novel synthetic molecules were investigated in terms of their morphology at the air/water interface and in transferred films. rnFirst, the self-assembly of semifluorinated alkanes and their molecular orientation at the air/water interface and in transferred films was studied employing scanning force microscopy (SFM) and Kelvin potential force microscopy. Here it was found, that the investigated semifluorinated alkanes aggregate to form circular surface micelles with a diameter of 30 nm, which are constituted of smaller muffin-shaped subunits with a diameter of 10 nm. A further result is that the introduction of an aromatic core into the molecular structure leads to the formation of elongated surface micelles and thus implements a directionality to the self-assembly. rnSecond, the self-assembly of two different amphiphilic hybrid materials containing a short single stranded desoxyribonucleic acid (DNA) sequence was investigated at the air/water interface. The first molecule was a single stranded DNA (11mer) molecule with two hydrophobically modified 5-(dodec-1-ynyl)uracil nucleobases at the terminal 5'-end of the oligonucleotide sequence. Isotherm measurements revealed the formation of semi-stable films at the air/water interface. SFM imaging of films transferred via Langmuir-Blodgett technique supported this finding and indicated mono-, bi- and multilayer formation, according to the surface pressure applied upon transfer. Within these films, the hydrophilic DNA sequence was oriented towards air covering 95% of the substrate.rnSimilar results were obtained with a second type of amphiphile, a DNA block copolymer. Furthermore, the potential to perform molecular recognition experiments at the air/water interface with these DNA hybrid materials was evaluated.rnThird, polyglycerol ester molecules (PGE), which are known to form very stable foams, were studies. Aim was to elucidate the molecular structure of PGE molecules at the air/water interface in order to comprehend the foam stabilization mechanism. Several model systems mimicking the air/water interface of a PGE foam and methods for a noninvasive transfer were tested and characterized by SFM. It could be shown, that PGE stabilizes the air/water interface of a foam bubble by formation of multiple surfactant layers. Additionally, a new transfer technique, the bubble film transfer was established and characterized by high speed camera imaging.The results demonstrate the diversity of structures, which can be formed by amphiphilic molecules at the air/water interface and after film transfer, as well as the impact of the chemical structure on the aggregate morphology.

Contribution of Non-Covalent Interactions and Electronic Effects on the Conformational Landscape and Tautomeric Equilibria of Molecules and Molecular Complexes: Structural and Dynamical Data from Rotational Spectroscopy

This thesis concerns the study of complex conformational surfaces and tautomeric equilibria of molecules and molecular complexes by quantum chemical methods and rotational spectroscopy techniques. In particular, the focus of this research is on the effects of substitution and noncovalent interactions in determining the energies and geometries of different conformers, tautomers or molecular complexes. The Free-Jet Absorption Millimeter Wave spectroscopy and the Pulsed-Jet Fourier Transform Microwave spectroscopy have been applied to perform these studies and the obtained results showcase the suitability of these techniques for the study of conformational surfaces and intermolecular interactions. The series of investigations of selected medium-size molecules and complexes have shown how different instrumental setups can be used to obtain a variety of results on molecular properties. The systems studied, include molecules of biological interest such as anethole and molecules of astrophysical interest such as N-methylaminoethanol. Moreover halogenation effects have been investigated on halogen substituted tautomeric systems (5-chlorohydroxypyridine and 6-chlorohydroxypyridine), where it has shown that the position of the inserted halogen atom affects the prototropic equilibrium. As for fluorination effects, interesting results have been achieved investigating some small complexes where a molecule of water is used as a probe to reveal the changes on the electrostatic potential of different fluorinated compounds: 2-fluoropyridine, 3-fluoropyridine and penta-fluoropyridine. While in the case of the molecular complex between water and 2-fluoropyridine and 3-fluoropyridine the geometry of the complex with one water molecule is analogous to that of pyridine with the water molecule linked to the pyridine nitrogen, the case of pentafluoropyridine reveals the effect of perfluorination and the water oxygen points towards the positive center of the pyridine ring. Additional molecular adducts with a molecule of water have been analyzed (benzylamine-water and acrylic acid-water) in order to reveal the stabilizing driving forces that characterize these complexes.

Simulations of amphiphilic peptides at the air-water interface

Amphiphile Peptide, Pro-Glu-(Phe-Glu)n-Pro, Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, und Phe-Glu-(Phe-Glu)n-Phe, können so aus n alternierenden Sequenzen von hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren konstruiert werden, dass sie sich in Monolagen an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen. In biologischen Systemen können Strukturen an der organisch-wässrigen Grenzfläche als Matrix für die Kristallisation von Hydroxyapatit dienen, ein Vorgang der für die Behandlung von Osteoporose verwendet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationenrneingesetzt, um die Strukturen und die zugrunde liegenden Wechselwirkungen welche die Aggregation der Peptide auf mikroskopischer Ebene steuern, zu untersuchen. Atomistische Molekulardynamik-Simulationen von einzelnen Peptidsträngen zeigen, dass sie sich leicht an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen und die Fähigkeit haben, sich in β-Schleifen zu falten, selbst für relativ kurze Peptidlängen (n = 2). Seltene Ereignisse wie diese (i.e. Konformationsänderungen) erfordern den Einsatz fortgeschrittener Sampling-Techniken. Hier wurde “Replica Exchange” Molekulardynamik verwendet um den Einfluss der Peptidsequenzen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass Peptide mit kürzeren azidischen Seitenketten (Asp vs. Glu) gestrecktere Konformationen aufwiesen als die mit längeren Seitenketten, die in der Lage waren die Prolin-Termini zu erreichen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Prolin-Termini (Pro vs. Phe) notwendig sind, um eine 2D-Ordnung innerhalb derrnAggregate zu erhalten. Das Peptid Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, das beide dieser Eigenschaften enthält, zeigt das geordnetste Verhalten, eine geringe Verdrehung der Hauptkette, und ist in der Lage die gebildeten Aggregate durch Wasserstoffbrücken zwischen den sauren Seitenketten zu stabilisieren. Somit ist dieses Peptid am besten zur Aggregation geeignet. Dies wurde auch durch die Beurteilung der Stabilität von experimentnah-aufgesetzten Peptidaggregaten, sowie der Neigung einzelner Peptide zur Selbstorganisation von anfänglich ungeordneten Konfigurationen unterstützt. Da atomistische Simulationen nur auf kleine Systemgrößen und relativ kurze Zeitskalen begrenzt sind, wird ein vergröbertes Modell entwickelt damit die Selbstorganisation auf einem größeren Maßstab studiert werden kann. Da die Selbstorganisation an der Grenzfläche vonrnInteresse ist, wurden existierenden Vergröberungsmethoden erweitert, um nicht-gebundene Potentiale für inhomogene Systeme zu bestimmen. Die entwickelte Methode ist analog zur iterativen Boltzmann Inversion, bildet aber das Update für das Interaktionspotential basierend auf der radialen Verteilungsfunktion in einer Slab-Geometrie und den Breiten des Slabs und der Grenzfläche. Somit kann ein Kompromiss zwischen der lokalen Flüssigketsstruktur und den thermodynamischen Eigenschaften der Grenzfläche erreicht werden. Die neue Methode wurde für einen Wasser- und einen Methanol-Slab im Vakuum demonstriert, sowie für ein einzelnes Benzolmolekül an der Vakuum-Wasser Grenzfläche, eine Anwendung die von besonderer Bedeutung in der Biologie ist, in der oft das thermodynamische/Grenzflächenpolymerisations-Verhalten zusätzlich der strukturellen Eigenschaften des Systems erhalten werden müssen. Daraufrnbasierend wurde ein vergröbertes Modell über einen Fragment-Ansatz parametrisiert und die Affinität des Peptids zur Vakuum-Wasser Grenzfläche getestet. Obwohl die einzelnen Fragmente sowohl die Struktur als auch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen an der Grenzfläche reproduzierten, diffundierte das Peptid als Ganzes von der Grenzfläche weg. Jedoch führte eine Reparametrisierung der nicht-gebundenen Wechselwirkungen für eines der Fragmente der Hauptkette in einem Trimer dazu, dass das Peptid an der Grenzfläche blieb. Dies deutet darauf hin, dass die Kettenkonnektivität eine wichtige Rolle im Verhalten des Petpids an der Grenzfläche spielt.

Tracer diffusion at water-oil interfaces studied by fluorescence correlation spectroscopy

The adsorption of particles and surfactants at water-oil interfaces has attracted continuous attention because of its emulsion stabilizing effect and the possibility to form two-dimensional materials. Herein, I studied the interfacial diffusion of single molecules and nanoparticles at water-oil interfaces using fluorescence correlation spectroscopy. rnrnFluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a promising technique to study diffusion of fluorescent tracers in diverse conditions. This technique monitors and analyzes the fluorescence fluctuation caused by single fluorescent tracers coming in and out of a diffraction-limited observation volume “one at a time”. Thus, this technique allows a combination of high precision, high spatial resolution and low tracer concentration. rnrnIn chapter 1, I discussed some controversial questions regarding the properties of water-hydrophobic interfaces and also introduced the current progress on the stability and dynamic of single nanoparticles at water-oil interfaces. The materials and setups I used in this thesis were summarized in chapter 2. rnrnIn chapter 3, I presented a new strategy to study the properties of water-oil interfaces. The two-dimensional diffusion of isolated molecular tracers at water/n-alkane interfaces was measured using fluorescence correlation spectroscopy. The diffusion coefficients of larger tracers with a hydrodynamic radius of 4.0 nm agreed well with the values calculated from the macroscopic viscosities of the two bulk phases. However, for small molecule tracers with hydrodynamic radii of only 1.0 and 0.6 nm, notable deviations were observed, indicating the existence of an interfacial region with a reduced effective viscosity. rnrnIn chapter 4, the interfacial diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces was investigated using FCS. In stark contrast to the interfacial diffusion of molecular tracers, that of nanoparticles at any conditions is slower than the values calculated in accordance to the surrounding viscosity. The diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces depended on the interfacial tension of liquid-liquid interfaces, the surface properties of nanoparticles, the particle sizes and the viscosities of surrounding liquid phases. In addition, the interfacial diffusion of nanoparticles with Janus motif is even slower than that of their symmetric counterparts. Based on the experimental results I obtained, I drew some possibilities to describe the origin of nanoparticle slowdown at water-oil interfaces.

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Molecular analysis of aquaporin genes 1 to 4 in patients with Menière's disease

Menière's Disease (MD) is an episodic cochleovestibular dysfunction of unknown etiology, still lacking a specific test and therapy. The proposed theories on the pathophysiology include genetic factors and factors relating to inner ear homeostasis. Various aquaporins (AQP), water channels, expressed in the inner ear and the vestibular organ, are involved in homeostasis. Mutations in AQP genes could result in disturbed inner ear homeostasis and endolymphatic hydrops, and therefore be involved in the pathogenesis of MD. Aim: To search for mutations in AQP1 to 4 in patients suffering from MD.

Retrieval simulations of the vertical profiles of water vapour and other chemical species in the Martian atmosphere using PACS

Water vapour, despite being a minor constituent in the Martian atmosphere with its precipitable amount of less than 70 pr. μm, attracts considerable attention in the scientific community because of its potential importance for past life on Mars. The partial pressure of water vapour is highly variable because of its seasonal condensation onto the polar caps and exchange with a subsurface reservoir. It is also known to drive photochemical processes: photolysis of water produces H, OH, HO2 and some other odd hydrogen compounds, which in turn destroy ozone. Consequently, the abundance of water vapour is anti-correlated with ozone abundance. The Herschel Space Observatory provides for the first time the possibility to retrieve vertical water profiles in the Martian atmosphere. Herschel will contribute to this topic with its guaranteed-time key project called "Water and related chemistry in the solar system". Observations of Mars by Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) and Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) onboard Herschel are planned in the frame of the programme. HIFI with its high spectral resolution enables accurate observations of vertically resolved H2O and temperature profiles in the Martian atmosphere. Unlike HIFI, PACS is not capable of resolving the line-shape of molecular lines. However, our present study of PACS observations for the Martian atmosphere shows that the vertical sensitivity of the PACS observations can be improved by using multiple-line observations with different line opacities. We have investigated the possibility of retrieving vertical profiles of temperature and molecular abundances of minor species including H2O in the Martian atmosphere using PACS. In this paper, we report that PACS is able to provide water vapour vertical profiles for the Martian atmosphere and we present the expected spectra for future PACS observations. We also show that the spectral resolution does not allow the retrieval of several studied minor species, such as H2O2, HCl, NO, SO2, etc.

Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (<1%) but still important in determining accurate conformational energies. Anharmonic corrections are found to be non-negligble; they do not alter the energetic ordering of isomers, but they do lower the free energies of formation of the water clusters by as much as 4 kcal/mol at 298.15 K.

Accurate Predictions of Water Cluster Formation, (H2O)n=2-10

An efficient mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the water cluster system. The use of the MP2 method and correlation consistent basis sets, with appropriate correction for BSSE, allows for the accurate calculation of electronic and free energies for the formation of clusters of 2−10 water molecules. This approach reveals new low energy conformers for (H2O)n=7,9,10. The water heptamer conformers comprise five different structural motifs ranging from a three-dimensional prism to a quasi-planar book structure. A prism-like structure is favored energetically at low temperatures, but a chair-like structure is the global Gibbs free energy minimum past 200 K. The water nonamers exhibit less complexity with all the low energy structures shaped like a prism. The decamer has 30 conformers that are within 2 kcal/mol of the Gibbs free energy minimum structure at 298 K. These structures are categorized into four conformer classes, and a pentagonal prism is the most stable structure from 0 to 320 K. Results can be used as benchmark values for empirical water models and density functionals, and the method can be applied to larger water clusters.

Molecular Dynamics Simulation of a PNA·DNA·PNA Triple Helix in Aqueous Solution

Molecular dynamics simulations have been used to explore the conformational flexibility of a PNA·DNA·PNA triple helix in aqueous solution. Three 1.05 ns trajectories starting from different but reasonable conformations have been generated and analyzed in detail. All three trajectories converge within about 300 ps to produce stable and very similar conformational ensembles, which resemble the crystal structure conformation in many details. However, in contrast to the crystal structure, there is a tendency for the direct hydrogen-bonds observed between the amide hydrogens of the Hoogsteen-binding PNA strand and the phosphate oxygens of the DNA strand to be replaced by water-mediated hydrogen bonds, which also involve pyrimidine O2 atoms. This structural transition does not appear to weaken the triplex structure but alters groove widths and so may relate to the potential for recognition of such structures by other ligands (small molecules or proteins). Energetic analysis leads us to conclude that the reason that the hybrid PNA/DNA triplex has quite different helical characteristics from the all-DNA triplex is not because the additional flexibility imparted by the replacement of sugar−phosphate by PNA backbones allows motions to improve base-stacking but rather that base-stacking interactions are very similar in both types of triplex and the driving force comes from weak but definate conformational preferences of the PNA strands.

Hydration of OCS with One to Four Water Molecules in Atmospheric and Laboratory Conditions

Carbonyl sulfide is the most abundant sulfur gas in the atmosphere. We have used MP2 and CCSD(T) theory to study the structures and thermochemistries of carbonyl sulfide interacting with one to four water molecules. We have completed an extensive search for clusters of OCS(H2O)n, where n = 1−4. We located three dimers, two trimers, five tetramers, and four pentamers with the MP2/aug-cc-pVDZ method. In each of the complexes with two or more waters, OCS preferentially interacts with low-energy water clusters. Our results match current theoretical and experimental literature, showing correlation with available geometries and frequencies for the OCS(H2O) species. The CCSD(T)/aug-cc-pVTZ thermochemical values combined with the average amount of OCS and the saturated concentration of H2O in the troposphere, lead to the prediction of 106 OCS(H2O) clusters·cm−3 and 102 OCS(H2O)2 clusters·cm−3 at 298 K. We predict the structures of OCS(H2O)n, n = 1−4 that should predominate in a low-temperature molecular beam and identify specific infrared vibrations that can be used to identify these different clusters.

Comparison of CBS-QB3, CBS-APNO, G2, and G3 thermochemical predictions with experiment for formation of ionic clusters of hydronium and hydroxide ions complexed with water

The GAUSSIAN 2, GAUSSIAN 3, complete basis set-QB3, and complete basis set-APNO methods have been used to calculate ΔH∘ and ΔG∘ values for ionic clusters of hydronium and hydroxide ions complexed with water. Results for the clusters H3O+(H2O)n andOH−(H2O)n, where n=1–4 are reported in this paper, and compared against experimental values contained in the National Institutes of Standards and Technology (NIST) database. Agreement with experiment is excellent for the three ab initio methods for formation of these clusters. The high accuracy of these methods makes them reliable for calculating energetics for the formation of ionic clusters containing water. In addition this allows them to serve as a valuable check on the accuracy of experimental data reported in the NIST database, and makes them useful tools for addressing unresolved issues in atmospheric chemistry.

Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (

Atmospheric Implications for Formation of Clusters of Ammonium and 1−10 Water Molecules

A mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the ammonium/water clustering system. The use of the high level MP2 calculation method and correlated basis sets, such as aug-cc-pVDZ and aug-cc-pVTZ, lends confidence in the accuracy of the extrapolated energies. These calculations provide electronic and free energies for the formation of clusters of ammonium and 1−10 water molecules at two different temperatures. Structures and thermodynamic values are in good agreement with previous experimental and theoretical results. The estimated concentration of these clusters in the troposphere was calculated using atmospheric amounts of ammonium and water. Results show the favorability of forming these clusters and implications for ion-induced nucleation in the atmosphere.