Non-equilibrium molecular dynamics study of an amphiphilic model system

Diese Doktorarbeit untersucht das Verhalten von komplexenFluidenunter Scherung, insbesondere den Einfluss von Scherflüssenauf dieStrukturbildung.Dazu wird ein Modell dieser entworfen, welches imRahmen von Molekulardynamiksimulationen verwendet wird.Zunächst werden Gleichgewichtseigenschaften dieses Modellsuntersucht.Hierbei wird unter anderem die Lage desOrdnungs--Unordnungsübergangs von derisotropen zur lamellaren Phase der Dimere bestimmt.Der Einfluss von Scherflüssen auf diese lamellare Phase wirdnununtersucht und mit analytischen Theorien verglichen. Die Scherung einer parallelen lamellaren Phase ruft eineNeuausrichtung des Direktors in Flussrichtung hervor.Das verursacht eine Verminderung der Schichtdicke mitsteigender Scherrateund führt oberhalb eines Schwellwertes zu Ondulationen.Ein vergleichbares Verhalten wird auch in lamellarenSystemengefunden, an denen in Richtung des Direktors gezogen wird.Allerdings wird festgestellt, dass die Art der Bifurkationenin beidenFällen unterschiedlich ist.Unter Scherung wird ein Übergang von Lamellen parallelerAusrichtung zu senkrechter gefunden.Dabei wird beoachtet, dass die Scherspannung in senkrechterOrientierungniedriger als in der parallelen ist.Dies führt unter bestimmten Bedingungen zum Auftreten vonScherbändern, was auch in Simulationen beobachtet wird. Es ist gelungen mit einem einfachen Modell viele Apsekte desVerhalten vonkomplexen Fluiden wiederzugeben. Die Strukturbildung hängt offensichtlich nurbedingt von lokalen Eigenschaften der Moleküle ab.

A molecular dynamics study of the influence of chain branching on the properties of polymer systems

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluß von Kettenverzweigungen unterschiedlicher Topologien auf die statischen Eigenschaften von Polymeren. Diese Untersuchungen werden mit Hilfe von Monte-Carlo- und Molekular-Dynamik-Simulationen durchgeführt.Zunächst werden einige theoretische Konzepte und Modelle eingeführt, welche die Beschreibung von Polymerketten auf mesoskopischen Längenskalen gestatten. Es werden wichtige Bestimmungsgrößen eingeführt und erläutert, welche zur quantitativen Charakterisierung von Verzweigungsstrukturen bei Polymeren geeignet sind. Es wird ebenso auf die verwendeten Optimierungstechniken eingegangen, die bei der Implementierung des Computerprogrammes Verwendung fanden. Untersucht werden neben linearen Polymerketten unterschiedliche Topolgien -Sternpolymere mit variabler Armzahl, Übergang von Sternpolymeren zu linearen Polymeren, Ketten mit variabler Zahl von Seitenketten, reguläre Dendrimere und hyperverzweigte Strukturen - in Abhängigkeit von der Lösungsmittelqualität. Es wird zunächst eine gründliche Analyse des verwendeten Simulationsmodells an sehr langen linearen Einzelketten vorgenommen. Die Skalierungseigenschaften der linearen Ketten werden untersucht in dem gesamten Lösungsmittelbereich vom guten Lösungsmittel bis hin zu weitgehend kollabierten Ketten im schlechten Lösungsmittel. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Bestätigung der Korrekturen zum Skalenverhalten des hydrodynamischen Radius Rh. Dieses Ergebnis war möglich aufgrund der großen gewählten Kettenlängen und der hohen Qualität der erhaltenen Daten in dieser Arbeit, insbesondere bei den linearen ketten, und es steht im Widerspruch zu vielen bisherigen Simulations-Studien und experimentellen Arbeiten. Diese Korrekturen zum Skalenverhalten wurden nicht nur für die linearen Ketten, sondern auch für Sternpolymere mit unterchiedlicher Armzahl gezeigt. Für lineare Ketten wird der Einfluß von Polydispersität untersucht.Es wird gezeigt, daß eine eindeutige Abbildung von Längenskalen zwischen Simulationsmodell und Experiment nicht möglich ist, da die zu diesem Zweck verwendete dimensionslose Größe eine zu schwache Abhängigkeit von der Polymerisation der Ketten besitzt. Ein Vergleich von Simulationsdaten mit industriellem Low-Density-Polyäthylen(LDPE) zeigt, daß LDPE in Form von stark verzweigten Ketten vorliegt.Für reguläre Dendrimere konnte ein hochgradiges Zurückfalten der Arme in die innere Kernregion nachgewiesen werden.

Comparison of model potentials for molecular dynamics simulation of crystalline silica

Simulationen von SiO2 mit dem von van Beest, Kramer und vanSanten (BKS) entwickelten Paarpotenzial erzeugen vielezufriedenstellende Ergebnisse, aber auch charakteristischeSchwachstellen. In dieser Arbeit wird das BKS-Potenzial mitzwei kürzlich vorgeschlagenen Potenzialen verglichen, dieeffektiv Mehrteilchen-Wechselwirkungen beinhalten. Der ersteAnsatz erlaubt dazu fluktuierende Ladungen, der zweiteinduzierbare Polarisierungen auf den Sauerstoffatomen. Die untersuchten Schwachstellen des BKS Potenzialsbeinhalten das Verhältnis der zwei Gitterkonstanten a und cim Quarzübergang, das von BKS falsch beschrieben wird.Cristobalit und Tridymit erscheinen instabil mit BKS.Weiterhin zeigt die BKS-Zustandsdichte charakteristischeAbweichungen von der wahren Zustandsdichte. DerÜbergangsdruck für den Stishovit I-II Übergang wird deutlichüberschätzt. Das Fluktuierende-Ladungs-Modell verbesserteinige der genannten Punkte, reproduziert aber viele andereEigenschaften schlechter als BKS. DasFluktierende-Dipol-Modell dagegen behebt alle genanntenArtefakte. Zusätzlich wird der druckinduzierte Phasenübergang imalpha-Quarz untersucht. Alle Potentiale finden die selbeStruktur für Quarz II. Bei anschliessender Dekompressionerzeugt BKS eine weitere Phase, während die beiden anderenPotentiale wieder zum alpha-Quarz zurückkehren. Weiterhinwerden zwei Methoden entwickelt, um die piezoelektrischenKonstanten bei konstantem Druck zu bestimmen. Die Ergebnissegeben Hinweise auf eine möglicherweisenicht-elektrostatische Natur der Polarisierungen imFluktuierende-Dipole-Modell. Mit dieser Interpretation scheint das Fluktuierende-DipolPotential alle verfügbaren experimentellen Daten am bestenvon allen drei untersuchten Ansätzen zu reproduzieren.

Polymer-liquid crystal interface: a molecular dynamics study

Liquid crystals (LCs) are an interesting class of soft condensed matter systems characterized by an unusual combination of fluidity and long-range order, mainly known for their applications in displays (LCDs). However, the interest in LC continues to grow pushed by their application in new technologies in medicine, optical imaging, micro and nano technologies etc. In LCDs uniaxial alignment of LCs is mainly achieved by a rubbing process. During this treatment, the surfaces of polymer coated display substrates are rubbed in one direction by a rotating cylinder covered with a rubbing cloth. Basically, LC alignment involves two possible aligning directions: uniaxial planar (homogeneous) and vertical (homeotropic) to the display substrate. An interesting unresolved question concerning LCs regards the origin of their alignment on rubbed surfaces, and in particular on the polymeric ones used in the display industry. Most studies have shown that LCs on the surface of the rubbed polymer film layer are lying parallel to the rubbing direction. In these systems, micrometric grooves are generated on the film surface along the rubbing direction and also the polymer chains are stretched in this direction. Both the parallel aligned microgrooves and the polymer chains at the film surface may play a role in the LC alignment and it is not easy to quantify the effect of each contribution. The work described in this thesis is an attempt to find new microscopic evidences on the origin of LC alignment on polymeric surfaces through molecular dynamics (MD) simulations, which allow the investigation of the phenomenon with atomic detail. The importance of the arrangement of the polymeric chains in LCs alignment was studied by performing MD simulations of a thin film of a typical nematic LC, 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB), in contact with two different polymers: poly(methyl methacrylate)(PMMA) and polystyrene (PS). At least four factors are believed to influence the LC alignment: 1. the interactions of LCs with the backbone vinyl chains; 2. the interactions of LCs with the oriented side groups; 3. the anisotropic interactions of LCs with nanometric grooves; 4. the presence of static surface charges. Here we exclude the effect of microgrooves and of static surface charges from our virtual experiment, by using flat and neutral polymer surfaces, with the aim of isolating the chemical driving factors influencing the alignment of LC phases on polymeric surfaces.

Spectroscopic properties from hybrid QM, MM molecular dynamics simulation

The central aim of this thesis work is the application and further development of a hybrid quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) based approach to compute spectroscopic properties of molecules in complex chemical environments from electronic structure theory. In the framework of this thesis, an existing density functional theory implementation of the QM/MM approach is first used to calculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solvent shifts of an adenine molecule in aqueous solution. The findings show that the aqueous solvation with its strongly fluctuating hydrogen bond network leads to specific changes in the NMR resonance lines. Besides the absolute values, also the ordering of the NMR lines changes under the influence of the solvating water molecules. Without the QM/MM scheme, a quantum chemical calculation could have led to an incorrect assignment of these lines. The second part of this thesis describes a methodological improvement of the QM/MM method that is designed for cases in which a covalent chemical bond crosses the QM/MM boundary. The development consists in an automatized protocol to optimize a so-called capping potential that saturates the electronic subsystem in the QM region. The optimization scheme is capable of tuning the parameters in such a way that the deviations of the electronic orbitals between the regular and the truncated (and "capped") molecule are minimized. This in turn results in a considerable improvement of the structural and spectroscopic parameters when computed with the new optimized capping potential within the QM/MM technique. This optimization scheme is applied and benchmarked on the example of truncated carbon-carbon bonds in a set of small test molecules. It turns out that the optimized capping potentials yield an excellent agreement of NMR chemical shifts and protonation energies with respect to the corresponding full molecules. These results are very promising, so that the application to larger biological complexes will significantly improve the reliability of the prediction of the related spectroscopic properties.

Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Novel algorithms for electronic structure based molecular dynamics with linear system-size scaling

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Verbesserung von linear skalierenden Algorithmen für Elektronenstruktur basierte Molekulardynamik. Molekulardynamik ist eine Methode zur Computersimulation des komplexen Zusammenspiels zwischen Atomen und Molekülen bei endlicher Temperatur. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist ihre hohe Genauigkeit und Vorhersagekraft. Allerdings verhindert der Rechenaufwand, welcher grundsätzlich kubisch mit der Anzahl der Atome skaliert, die Anwendung auf große Systeme und lange Zeitskalen. Ausgehend von einem neuen Formalismus, basierend auf dem großkanonischen Potential und einer Faktorisierung der Dichtematrix, wird die Diagonalisierung der entsprechenden Hamiltonmatrix vermieden. Dieser nutzt aus, dass die Hamilton- und die Dichtematrix aufgrund von Lokalisierung dünn besetzt sind. Das reduziert den Rechenaufwand so, dass er linear mit der Systemgröße skaliert. Um seine Effizienz zu demonstrieren, wird der daraus entstehende Algorithmus auf ein System mit flüssigem Methan angewandt, das extremem Druck (etwa 100 GPa) und extremer Temperatur (2000 - 8000 K) ausgesetzt ist. In der Simulation dissoziiert Methan bei Temperaturen oberhalb von 4000 K. Die Bildung von sp²-gebundenem polymerischen Kohlenstoff wird beobachtet. Die Simulationen liefern keinen Hinweis auf die Entstehung von Diamant und wirken sich daher auf die bisherigen Planetenmodelle von Neptun und Uranus aus. Da das Umgehen der Diagonalisierung der Hamiltonmatrix die Inversion von Matrizen mit sich bringt, wird zusätzlich das Problem behandelt, eine (inverse) p-te Wurzel einer gegebenen Matrix zu berechnen. Dies resultiert in einer neuen Formel für symmetrisch positiv definite Matrizen. Sie verallgemeinert die Newton-Schulz Iteration, Altmans Formel für beschränkte und nicht singuläre Operatoren und Newtons Methode zur Berechnung von Nullstellen von Funktionen. Der Nachweis wird erbracht, dass die Konvergenzordnung immer mindestens quadratisch ist und adaptives Anpassen eines Parameters q in allen Fällen zu besseren Ergebnissen führt.

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

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.

Molecular Dynamics Simulations of the d(TAT) Triple Helix

Molecular dynamics (MD) simulations have been used to study the dynamical and time-averaged characteristics of the DNA triple helix d(T)10âd(A)10âd(T)10. The structures sampled during the trajectory resemble closely the B-type model for the DNA triplex proposed on the basis of NMR data, although there are some subtle differences. Alternative P- and A-type conformations for the triplex, suggested from X-ray experiments, are not predicted to contribute significantly to the structure of the DNA triplex in solution. Comparison with the best available experimental data supports the correctnes of the MD-generated structures. The analysis of the collected data gives a detailed picture of the characteristics of triple-helix DNA. A new and interesting pattern of hydration, specific for triplex DNA, is an important observation. The results suggest that molecular dynamics can be useful for the study of novel nucleic acid structures.

Ramachandran-type Plots for Glycosidic Linkages: Examples from Molecular Dynamics Simulations using the Glycam06 Force Field

The goals of this article are to (1) provide further validation of the Glycam06 force field, specifically for its use in implicit solvent molecular dynamic (MD) simulations, and (2) to present the extension of G.N. Ramachandran's idea of plotting amino acid phi and psi angles to the glycosidic phi, psi, and omega angles formed between carbohydrates. As in traditional Ramachandran plots, these carbohydrate Ramachandran-type (carb-Rama) plots reveal the coupling between the glycosidic angles by displaying the allowed and disallowed conformational space. Considering two-bond glycosidic linkages, there are 18 possible conformational regions that can be defined by (α, ϕ, ψ) and (β, ϕ, ψ), whereas for three-bond linkages, there are 54 possible regions that can be defined by (α, ϕ, ψ, ω) and (β, ϕ, ψ, ω). Illustrating these ideas are molecular dynamic simulations on an implicitly hydrated oligosaccharide (700 ns) and its eight constituent disaccharides (50 ns/disaccharide). For each linkage, we compare and contrast the oligosaccharide and respective disaccharide carb-Rama plots, validate the simulations and the Glycam06 force field through comparison to experimental data, and discuss the general trends observed in the plots.

Structure and thermodynamics of H3O+(H2O)8 clusters: A combined molecular dynamics and quantum mechanics approach

We have studied the structure and stability of (H3O+)(H2O)8 clusters using a combination of molecular dynamics sampling and high-level ab initio calculations. 20 distinct oxygen frameworks are found within 2 kcal/mol of the electronic or standard Gibbs free energy minimum. The impact of quantum zero-point vibrational corrections on the relative stability of these isomers is quite significant. The box-like isomers are favored in terms of electronic energy, but with the inclusion of zero-point vibrational corrections and entropic effects tree-like isomers are favored at higher temperatures. Under conditions from 0 to 298.15 K, the global minimum is predicted to be a tree-like structure with one dangling singly coordinated water molecule. Above 298.15 K, higher entropy tree-like isomers with two or more singly coordinated water molecules are favored. These assignments are generally consistent with experimental IR spectra of (H3O+)(H2O)8 obtained at 150 K.

Predicting the Mechanical Properties of Carbon-Based Materials Using Molecular Dynamics

The development of innovative carbon-based materials can be greatly facilitated by molecular modeling techniques. Although molecular modeling has been used extensively to predict elastic properties of materials, modeling of more complex phenomenon such as fracture has only recently been possible with the development of new force fields such as ReaxFF, which is used in this work. It is not fully understood what molecular modeling parameters such as thermostat type, thermostat coupling, time step, system size, and strain rate are required for accurate modeling of fracture. Selection of modeling parameters to model fracture can be difficult and non-intuitive compared to modeling elastic properties using traditional force fields, and the errors generated by incorrect parameters may be non-obvious. These molecular modeling parameters are systematically investigated and their effects on the fracture of well-known carbon materials are analyzed. It is determined that for coupling coefficients of 250 fs and greater do not result in substantial differences in the stress-strain response of the materials using any thermostat type. A time step of 0.5 fs of smaller is required for accurate results. Strain rates greater than 2.2 ns-1 are sufficient to obtain repeatable results with slower strain rates for the materials studied. The results of this study indicate that further refinement of the Chenoweth parameter set is required to accurately predict the mechanical response of carbon-based systems. The ReaxFF has been used extensively to model systems in which bond breaking and formation occur. In particular ReaxFF has been used to model reactions of small molecules. Some elastic and fracture properties have been successfully modeled using ReaxFF in materials such as silicon and some metals. However, it is not clear if current parameterizations for ReaxFF are able to accurately reproduce the elastic and fracture properties of carbon materials. The stress-strain response of a new ReaxFF parameterization is compared to the previous parameterization and density functional theory results for well-known carbon materials. The new ReaxFF parameterization makes xv substantial improvements to the predicted mechanical response of carbon materials, and is found to be suitable for modeling the mechanical response of carbon materials. Finally, a new material composed of carbon nanotubes within an amorphous carbon (AC) matrix is modeled using the ReaxFF. Various parameters that may be experimentally controlled are investigated such as nanotube bundling, comparing multi-walled nanotube with single-walled nanotubes, and degree of functionalization of the nanotubes. Elastic and fracture properties are investigated for the composite systems and compared to results of pure-nanotube and pure-AC models. It is found that the arrangement of the nanotubes and degree of crosslinking may substantially affect the properties of the systems, particularly in the transverse directions.