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Die Broschüre des
John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf Deutsch und
auf Englisch. Sie kann bestellt werden
beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).
deutsche Broschüre (pdf) | English brochure (pdf)
 Polymere - Weiche Materie
Nicht nur alle Lebewesen bestehen vorwiegend aus weicher Materie (Biopolymere wie DNA,
Eiweiße, Lipide) und Wasser, sondern auch viele Stoffe des täglichen Lebens enthalten
Polymere. Diese Vielfalt reicht von einfachen Bedarfsgütern, z.B. Joghurtbechern, bis zu
Hightech-Materialien für optische Linsen oder elektronische Geräte. Aber was ist das
Besondere an ihnen und was macht sie weich? Moleküle der Weichen Materie sind im
Vergleich zu der typischen Größe eines Atoms riesig. Sie bestehen aus Tausenden von
Atomen, was zu enormer Konformationsfreiheit führt und damit viele fluktuierende
Molekülgestalten erlaubt. Diese Schwankungen sind thermischer Natur, d.h. die thermische
Energie, kBT, ist die relevante Bezugsgröße. Diese ist viel kleiner
als eine Bindungsenergie
(C-C-Bindungsenergie ~ 80 kBT). Die Dichte der Wechselwirkungsenergie ist daher sehr
klein; die Systeme sind weich (in erster Näherung sind die elastischen Konstanten durch die
Energiedichte gegeben). Dies führt zu charakteristischen Schwierigkeiten bei Theorien und
Computermodellen. Wegen des großen Umfangs an relevanten Längenskalen, von der
chemischen Bindung bis zu den mesoskopischen Konformationsfluktuationen, müssen aber
auch, was noch wichtiger ist, viele Größenordnungen in der Zeit berücksichtigt werden.
Daraus resultiert, dass Simulationen zur Weichen Materie eine große methodische Vielfalt
benötigen.
Diese Vielfalt schlägt sich auch in den wissenschaftlichen Aktivitäten am NIC
nieder, wie die folgenden Beispiele demonstrieren. Die Beispiele reichen von grundsätzlichen
Fragestellungen, die universelle Eigenschaften makromolekularer Systeme im Grenzfall sehr
großer Polymere untersuchen, bis zur Vorhersage von Materialeigenschaften. Der erste
Fragenkomplex hat zwar keinen Bezug zu technischen Anwendungen, ist aber für das
Grundlagenverständnis wichtig und steht fast immer am Anfang weitergehender
Untersuchungen. Ein typisches Beispiel dafür sind die so genannten "lattice animals" als
Modelle für verzweigte Polymere. Polymersysteme mit zufälligen Verzweigungen
("Gittertiere") sind von wissenschaftlichem und technologischem Interesse, verursachen aber
Probleme in der Simulation. Es ist besonders schwierig, Objekte, die groß genug sind, um an
ihnen asymptotische Gesetzmäßigkeiten zu studieren, ins Gleichgewicht zu relaxieren.
Obwohl schon viele Jahre Monte-Carlo-Simulationen für diese Fragen eingesetzt werden,
erlauben erst die neuen Simulationsverfahren aus der Gruppe um P. Grassberger am NIC
Systeme von mehr als 10.000 Monomeren effizient zu simulieren. Ähnliche Algorithmen
können auch für einfache Proteinmodelle oder für verzweigte Strukturen, die nicht vollständig
ungeordnet sind, von Nutzen sein.
Andere wichtige Systeme sind biologische Membranen. Mit atomarer Auflösung kann man
nur kleine Systeme und sehr lokale Phänomene untersuchen, wobei die wichtigen
Membranfluktuationen unberücksichtigt bleiben müssen. Bei Membranproteinen sind sowohl
die mikroskopischen als auch die langreichweitigen Wechselwirkungen mit der Membran von
vergleichbarer Bedeutung. Um letztere zu erforschen, untersucht die Gruppe um F. Schmid in
Bielefeld Modelle von idealisierten Amphiphilen als Membranbausteine. Damit kann die
Wechselwirkung großer Systeme mit idealisierten Membranproteinen studiert werden.
Langfristig kann man aus der Kombination mit detaillierteren Modellen ein umfassenderes
Verständnis der Protein-Membran-Wechselwirkung erwarten.
Ganz allgemein sind Grenz- oder Oberflächen von besonderer Bedeutung. Z. B. sind
Beschichtungen in unserem täglichen Umfeld weit verbreitet. Um sehr dünne
Oberflächenfilme zu erreichen, kann man Polymere mit einem Ende chemisch oder
physikalisch an der Oberfläche anheften. Solche Schichten können u. a. auch für
bioverträgliche Oberflächen benutzt werden. Im Experiment reagieren diese Schichten
empfindlich auf den pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit und können sowohl quellen als
auch kollabieren. Wie der Beitrag von L. Wenning und M. Müller aus Mainz zeigt, kann man
dieses Problem auf Polymerbürsten mit gutem und schlechtem Lösungsmittel abbilden. Im
ersteren bedeckt die Bürste die Oberfläche gleichmäßig, während die Ketten im schlechten
Lösungsmittel kollabieren und versuchen zu koagulieren. Da die Ketten aber angeheftet sind,
entstehen charakteristische unbedeckte, d.h. ungeschützte Bereiche.
Einen anderen Anwendungsbezug hat eine weitere Arbeit der Gruppe von F. Schmid. Sie
beschäftigt sich mit Polymerflüssigkristallen an Oberflächen. Flüssige Kristalle spielen eine
große Rolle bei Displays. Ein Problem bereitet die Ausrichtung der Mesogene relativ zur
Oberfläche. An einer harten Wand orientieren sich die Mesogene parallel zur Wand, was für
viele Anwendungen nachteilig ist. Das kann man durch Verbinden der Mesogene zu einem
Polymer ändern. Das Beispiel zeigt die Orientierung der Mesogene relativ zur Oberfläche, an
der die Polymere verankert sind. Abhängig von der Ankerdichte kann man die Orientierung
von parallel bis beinahe senkrecht zur Oberfläche einstellen.
Da analytische Theorien nur einfache Grenzfälle, Experimente dagegen komplizierte, oft
weniger gut charakterisierte Systeme untersuchen, sind Simulationen zu einer
unentbehrlichen, die beiden Bereiche verbindenden Forschungsrichtung geworden. Wie in
den vergangenen Jahren zeigen das auch die Beispiele der Arbeiten am NIC.
(Kurt Kremer, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz)
Obwohl Monte-Carlo-Methoden seit mehr als einem halben Jahrhundert in der statistischen
Physik benutzt werden, ist die Entwicklung neuer und effizienterer Monte-Carlo-Algorithmen
immer noch ein sehr aktives Gebiet. Dies gilt vor allem für die Polymerphysik, wo gängige
Algorithmen oft wegen topologischer Beschränkungen wenig effizient sind. Die Abbildung
zeigt ein zufällig verzweigtes Polymer (genauer gesagt, ein "Gittertier" auf einem
raumzentriert kubischen Gitter) mit 16.000 Monomeren, das mit einem neu entwickelten
Algorithmus erzeugt wurde. Solche Simulationen erlauben es, beispielsweise das
Skalierungsverhalten des Durchmessers und der Konfigurationsentropie verzweigter
Polymere zu studieren. Aber die grundlegende Strategie des Algorithmus ist viel allgemeiner
und kann auf viel mehr Probleme angewandt werden, von der Proteinfaltung bis zu
stochastischen Effekten in einfachen chemischen Reaktionen.
(Hsiao-Ping Hsu, Walter Nadler, Peter Grassberger,
NIC-Forschungsgruppe "Komplexe Systeme", Jülich)
Lipide (Fettmoleküle) sind grundlegende Bausteine von Zellmembranen. Sie gehören zu den
so genannten "Amphiphilen", d. h. sie enthalten sowohl Molekülteile, die Wasser "lieben", als
auch solche, die Wasser "hassen". In wässriger Lösung ordnen sie sich unter geeigneten
Bedingungen zu lamellenartigen Strukturen an - die Moleküle bilden Doppelschichten, so
dass die wasserabstoßenden Teile vor dem Wasser abgeschirmt sind. Diese Lipid-
Doppelschichten bilden das Grundgerüst von biologischen Membranen. Zahlreiche
funktionale Biomoleküle sind darin eingebettet, deren Struktur, Organisation und Funktion zu
einem großen Anteil auch von ihrer lokalen Lipidumgebung bestimmt ist.
Wir versuchen, die Wechselwirkungen zwischen Lipiden und Proteinen mit
Computersimulationen zu verstehen. Wesentliche Eigenschaften von Lipid-Doppelschichten
können durch vereinfachte Modelle beschrieben werden, welche nur dem amphiphilen
Charakter der Moleküle Rechnung tragen. Wenn wir die Proteine in ähnlicher Weise
vereinfachen, können wir grundlegende physikalische Wechselwirkungsmechanismen
studieren.
Die Abbildung zeigt ein idealisiertes Membran-Protein-System in zwei verschiedenen
Membranphasen ("flüssig" und "gelförmig"). Das Protein repräsentiert ein
Transmembran-Protein mit einer einfachen Alpha-Helix dar. Die
Lipid-Protein-Wechselwirkungen hängen
sensitiv vom Zustand der Membran ab.
(Olaf Lenz, Friederike Schmid, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld)
Für viele technologische Anwendungen verwendet man Polymere zur Beschichtung von
Oberflächen. So kann man zum Beispiel durch eine Polymerbeschichtung Materialien, die
ansonsten von der körpereigenen Abwehr attackiert würden, bio-kompatibel machen. Oder
man beschichtet eine Oberfläche, um die Reibung zwischen zwei harten Flächen zu
verringern. Ein Weg, solch eine Oberflächenbeschichtung zu stabilisieren, ist es, die Polymere
mit einem Ende auf der Oberfläche chemisch zu verankern.
Polymerketten haben die interessante Eigenschaft, dass sie sensitiv auf eine Variation von
Umweltparametern reagieren können. Eine einzelne Polymerkette in einem Lösungsmittel
kann zum Beispiel bei Veränderung des pH-Wertes des Lösungsmittels ihre Konformation
von einem offenen, losen Knäuelzustand in einen kompakten, dichten, globularen Zustand
verändern. Man spricht hier auch von "smarten Polymeren".
Wenn man solche Polymere nun mit einem Ende auf einer Oberfläche verankert, so werden
sie sich bei hinreichender Dichte der Verankerungspunkte und der richtigen Qualität des
Lösungsmittels ausstrecken, so dass die Oberfläche wie eine Bürste aus Polymeren aussieht.
Lässt man nun eine Flüssigkeit an dieser Fläche vorbeiströmen, so kann diese Bürste, wenn
die Flüssigkeit ihre chemische Zusammensetzung oder ihren pH-Wert ändert, kollabieren -
und man hat einen Sensor.
Um solche technologischen Entwicklungen voranzutreiben braucht man ein grundlegendes
wissenschaftliches Verständnis der Struktur einer Polymerbürste unter variierenden
Umwelteinflüssen (wir benutzen hier die Temperatur als Parameter, mit dem wir die Struktur
der Bürste steuern) und auch des Einflusses des Herstellungsprozesses der Polymerbürste
(z.B. Dichte und Regularität der Pfropfpunkte). In diesem Projekt versuchen wir mit
Methoden der Computersimulation Antworten auf diese Fragen zu finden. Im Folgenden sind
exemplarisch einige Konfigurationen einer Polymerbürste in einem Lösungsmittel dargestellt,
dessen Qualität zu einem Kollaps der Bürste führt, und zwar wird das Lösungsmittel um so
schlechter, je kleiner der Temperaturparameter ist.
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In den drei Abbildungen sind Konfigurationen einer Polymerbürste in schlechtem
Lösungsmittel bei einer geringen Pfropfdichte der Kettenenden zu sehen. Für die gezeigten
Temperaturen T = 1.8, 1.5, 1.2 (in Einheiten der Stärke der attraktiven Wechselwirkung
zwischen den Monomeren) kommt es zu einem Kollaps und Aufreißen der Bürste. Bei der
höchsten Temperatur, T = 1.8, (oberes Bild) sind die Lücken in der Bürste noch recht
gleichmäßig verteilt. Bei der Temperatur T = 1.5 (mittleres Bild) sind die Lücken zu längeren
Streifen angewachsen, die Bürste bildet dazwischen noch ein kontinuierliches Netzwerk. Bei
der niedrigsten Temperatur, T = 1.2, (unteres Bild) hat sich die Bürste noch weiter
zusammengezogen, die Lücken sind zusammengewachsen und die Bürste bildet vereinzelte
Cluster aus.
(Ludger Wenning, Marcus Müller, Institut für Physik, Universität Mainz)
In der LCD-Technologie werden Oberflächen dazu benutzt, Flüssigkristalle auszurichten. Wir
erforschen Wege, wie man Oberflächen gezielt so bauen kann, dass sie einen Flüssigkristall
mit einem beliebigen Neigungswinkel orientieren. Es geht darum, kettenförmige Moleküle
aus flüssigkristallinen Blöcken an einer Oberfläche zu befestigen, welche für sich genommen
eine parallele Orientierung begünstigt. Wenn die Ketten aufeinander stoßen, werden sie dazu
gezwungen, sich aufzurichten. Der Wettbewerb zwischen diesen beiden Tendenzen führt zu
einem endlichen Neigungswinkel. Der Neigungswinkel kann mit der Pfropfdichte der Ketten
kontrolliert werden. Wir erforschen diesen Effekt mittels Simulationen von Systemen von
Ellipsoiden.
Die Abbildungen illustrieren den Mechanismus. Die linke Abbildung zeigt den Flüssigkristall
in Kontakt mit einem reinen Substrat ohne Ketten. Die Teilchen sind im Mittel parallel zur
Oberfläche orientiert. Das mittlere Bild zeigt denselben Flüssigkristall (rosa)
in Kontakt mit
einer Oberfläche, die mit flüssigkristallinen Ketten (gelb) dekoriert ist.
Nun sind die Teilchen
relativ zur Oberfläche geneigt. Derselbe Zustand ist rechts noch einmal dargestellt, diesmal
mit durchsichtigen Flüssigkristallteilchen, um die Konformationen der Ketten zu
verdeutlichen.
(Harald Lange, Friederike Schmid, Fakultät für Physik,
Universität Bielefeld)
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