Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions

The present Ph.D. Thesis has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Program (Marie Skłodowska-Curie project titled: “Training in Bio-Inspired Design of Smart Adhesive Materials, BioSmartTrainee”, Grant agreement No. 642861) for carrying out computational work that can aid the rat...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μιντής, Δημήτρης
Άλλοι συγγραφείς: Mintis, Dimitris
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15102
id nemertes-10889-15102
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Molecular dynamics
Weak polyelectrolytes
Μοριακή δυναμική
Ασθενείς πολυ-ηλεκτρολύτες
spellingShingle Molecular dynamics
Weak polyelectrolytes
Μοριακή δυναμική
Ασθενείς πολυ-ηλεκτρολύτες
Μιντής, Δημήτρης
Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
description The present Ph.D. Thesis has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Program (Marie Skłodowska-Curie project titled: “Training in Bio-Inspired Design of Smart Adhesive Materials, BioSmartTrainee”, Grant agreement No. 642861) for carrying out computational work that can aid the rational design and development of new, bio-inspired materials capable of bonding and de-bonding according to the micro-environmental conditions on wet, rough, and fouled surfaces. This project falls under the BioSmartTrainee ETN program (for more information please refer to the following link: http://biosmarttrainee.eu/) and established a network of 10 full partners from academia and industry (BASF, AkzoNobel, and URGO) for developing new links between polymer science, adhesion technology, and biomechanics. In the framework of the BioSmartTrainee ETN program, different material strategies have been suggested for the design of switchable adhesives capable of bonding and de-bonding on demand under wet conditions, including among others: a) polymer brushes, b) micro-patterned surfaces, and c) polyelectrolyte gels (complex coacervates). The objective of the present Ph.D. Thesis was to develop and implement computational algorithms capable of providing quantitative predictions of the microstructure, state of hydration, and dynamics (segmental and terminal) of bulk aqueous solutions of weak polyelectrolytes, and investigate their response to relevant physicochemical parameters (such as pH, total polymer concentration, and chain length) starting from the molecular level. Additional work was carried out for determining the phase boundary of aqueous solutions containing symmetrical (in terms of charge density and molecular length), oppositely charged polyelectrolytes undergoing complex coacervation (that leads to liquid-liquid phase association) by computing the salt-polymer binodal phase diagram. Suitable modelling methodologies at different levels, such as Quantum Mechanics (QM) and Molecular Dynamics (MD), were employed to gain improved insight into the connection between detailed molecular structure and macroscopic properties of aqueous solutions of the following weak polyelectrolytes: • poly(acrylic acid) (PAA) • poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), and • poly(ethylene imine) (PEI) The global and local conformation as well as the dynamics of PAA chains in infinitely dilute solutions were first examined as a function of pH (equivalent to acid, neutral, and basic pH conditions) and chain degree of polymerization N (= 20, 23, 46, 70 and 110). Our predictions were compared to previous experiments and already established scaling theories for flexible polyelectrolytes. The effect of the total polymer concentration on the state of hydration, structure, and dynamics of PDMAEMA aqueous solutions was investigated next. In collaboration with one of our BIOSMART partners (Wageningen University), we also carried out rheological measurements of PDMAEMA solutions as a function of concentration. Aqueous solutions containing PEI of either a linear or a short chain branched architecture were also considered in the present Ph.D. Thesis in order to study the effect of pH and molecular weight on local rigidity, global conformation, and diffusive behaviour of PEI. These systems were simulated in infinitely dilute solution at ambient conditions. A detailed comparison to established theories and previous studies was reported. In the final stages of the Thesis, we computed (using fully atomistic models and free energy calculations) the phase boundary of an aqueous solution of two oppositely and fully charged weak polyelectrolytes, poly(acrylic acid) (PAA) and poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA). Such a system, under certain conditions (temperature, salt concentration, and molecular length) undergoes a particular type of liquid-liquid phase separation (LLPS) that leads to the formation of two distinct phases co-existing in thermodynamic equilibrium: a dense polymer phase (the coacervate) showing up in the form of liquid droplets and a dilute or polymer-deficient phase (the supernatant). The salt-partitioning in the two phases was also studied, followed by a detailed analysis of the specific interactions between certain pairs of atoms or groups of atoms in the two polyelectrolytes driving complexation and eventually phase separation.
author2 Mintis, Dimitris
author_facet Mintis, Dimitris
Μιντής, Δημήτρης
author Μιντής, Δημήτρης
author_sort Μιντής, Δημήτρης
title Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
title_short Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
title_full Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
title_fullStr Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
title_full_unstemmed Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
title_sort atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15102
work_keys_str_mv AT mintēsdēmētrēs atomisticsimulationofweakpolyelectrolytesinaqueoussolutions
AT mintēsdēmētrēs moriakēprosomoiōsēasthenōnpolyēlektrolytōnseydatikadialymata
_version_ 1771297348652105728
spelling nemertes-10889-151022023-02-07T12:05:55Z Atomistic simulation of weak polyelectrolytes in aqueous solutions Μοριακή προσομοίωση ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών σε υδατικά διαλύματα Μιντής, Δημήτρης Mintis, Dimitris Molecular dynamics Weak polyelectrolytes Μοριακή δυναμική Ασθενείς πολυ-ηλεκτρολύτες The present Ph.D. Thesis has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Program (Marie Skłodowska-Curie project titled: “Training in Bio-Inspired Design of Smart Adhesive Materials, BioSmartTrainee”, Grant agreement No. 642861) for carrying out computational work that can aid the rational design and development of new, bio-inspired materials capable of bonding and de-bonding according to the micro-environmental conditions on wet, rough, and fouled surfaces. This project falls under the BioSmartTrainee ETN program (for more information please refer to the following link: http://biosmarttrainee.eu/) and established a network of 10 full partners from academia and industry (BASF, AkzoNobel, and URGO) for developing new links between polymer science, adhesion technology, and biomechanics. In the framework of the BioSmartTrainee ETN program, different material strategies have been suggested for the design of switchable adhesives capable of bonding and de-bonding on demand under wet conditions, including among others: a) polymer brushes, b) micro-patterned surfaces, and c) polyelectrolyte gels (complex coacervates). The objective of the present Ph.D. Thesis was to develop and implement computational algorithms capable of providing quantitative predictions of the microstructure, state of hydration, and dynamics (segmental and terminal) of bulk aqueous solutions of weak polyelectrolytes, and investigate their response to relevant physicochemical parameters (such as pH, total polymer concentration, and chain length) starting from the molecular level. Additional work was carried out for determining the phase boundary of aqueous solutions containing symmetrical (in terms of charge density and molecular length), oppositely charged polyelectrolytes undergoing complex coacervation (that leads to liquid-liquid phase association) by computing the salt-polymer binodal phase diagram. Suitable modelling methodologies at different levels, such as Quantum Mechanics (QM) and Molecular Dynamics (MD), were employed to gain improved insight into the connection between detailed molecular structure and macroscopic properties of aqueous solutions of the following weak polyelectrolytes: • poly(acrylic acid) (PAA) • poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), and • poly(ethylene imine) (PEI) The global and local conformation as well as the dynamics of PAA chains in infinitely dilute solutions were first examined as a function of pH (equivalent to acid, neutral, and basic pH conditions) and chain degree of polymerization N (= 20, 23, 46, 70 and 110). Our predictions were compared to previous experiments and already established scaling theories for flexible polyelectrolytes. The effect of the total polymer concentration on the state of hydration, structure, and dynamics of PDMAEMA aqueous solutions was investigated next. In collaboration with one of our BIOSMART partners (Wageningen University), we also carried out rheological measurements of PDMAEMA solutions as a function of concentration. Aqueous solutions containing PEI of either a linear or a short chain branched architecture were also considered in the present Ph.D. Thesis in order to study the effect of pH and molecular weight on local rigidity, global conformation, and diffusive behaviour of PEI. These systems were simulated in infinitely dilute solution at ambient conditions. A detailed comparison to established theories and previous studies was reported. In the final stages of the Thesis, we computed (using fully atomistic models and free energy calculations) the phase boundary of an aqueous solution of two oppositely and fully charged weak polyelectrolytes, poly(acrylic acid) (PAA) and poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA). Such a system, under certain conditions (temperature, salt concentration, and molecular length) undergoes a particular type of liquid-liquid phase separation (LLPS) that leads to the formation of two distinct phases co-existing in thermodynamic equilibrium: a dense polymer phase (the coacervate) showing up in the form of liquid droplets and a dilute or polymer-deficient phase (the supernatant). The salt-partitioning in the two phases was also studied, followed by a detailed analysis of the specific interactions between certain pairs of atoms or groups of atoms in the two polyelectrolytes driving complexation and eventually phase separation. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή υπολογιστικών αλγορίθμων ικανών να παρέχουν ποσοτικές προβλέψεις σε μοριακό επίπεδο της μικροδομής, διαμόρφωσης και δυναμικής συμπεριφοράς υδατικών διαλυμάτων ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών για τη διερεύνηση της απόκρισής τους είτε σε αλλαγές των τιμών παραμέτρων εξωτερικών συνθηκών (όπως το pH και η συνολική συγκέντρωση πολυμερούς) είτε σε αλλαγές μοριακών παραμέτρων (όπως το μήκος και η αρχιτεκτονική των πολυμερικών αλυσίδων). Στην παρούσα εργασία θα μας απασχολήσει επίσης η μελέτη του διφασικού διαγράμματος ισορροπίας διαλυμάτων συμμετρικών (ως προς το μήκος της αλυσίδας και το ποσοστό φορτισμένων μονομερών) και αντίθετα φορτισμένων πολυ-ηλεκτρολυτών που οδηγεί αρχικά σε συμπλοκοποίηση και τελικά στο σχηματισμό δύο υγρών φάσεων, μιας πολύ αραιής (η supernatant φάση) και μιας πολύ πυκνής (η coacervate φάση) σε πολυ-ηλεκτρολύτες. Στη μελέτη μας χρησιμοποιούμε διαφορετικές μεθόδους μοριακής μοντελοποίησης, ιδιαίτερα Κβαντομηχανικούς υπολογισμούς (Quantum Mechanics, QM, calculations) και προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (Molecular Dynamics, MD), που μας βοηθούν να περιγράψουμε με ακρίβεια τη μικροδομή διαλυμάτων ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών και να τη συνδέσουμε με μακροσκοπικές ιδιότητες. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η μέλετη των ακόλουθων τριών (3) ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών: • του πολυ(ακρυλικού οξέος) (PAA) • του πολυ[μεθακρυλικού 2-(διμεθυλάμινο)αιθυλεστέρα] (PDMAEMA), και • της πολυ(αιθυλενο-ιµίνης) (PEI) Σ’ένα πρώτο στάδιο μελετήθηκε η τοπική διαμόρφωση και η δυναμική συμπεριφορά διαλυμάτων πολυ(ακρυλικού οξέος) (PAA) σε άπειρη αραίωση, συναρτήσει του pH (επιλέξαμε βασικό, ουδέτερο και όξινο περιβάλλον) και του βαθμού πολυμερισμού της αλυσίδας Ν (επιλέξαμε τιμές ίσες με 20, 23, 46, 70, και 110 μονομερή). Ακολούθησε λεπτομερής σύγκριση των προβλέψεων των προσομοιώσεων και υπολογισμών με θεωρίες και πειραματικές προβλέψεις. Σ’ένα δεύτερο στάδιο μελετήθηκε η επίδραση της συνολικής συγκέντρωσης πολυμερούς στη δυναμική συμπεριφορά και μικροδομή υδατικών διαλυμάτων του πολυ[μεθακρυλικού 2-(διμεθυλάμινο)αιθυλεστέρα] (PDMAEMA). Η δυναμική συμπεριφορά διαλυμάτων PDMAEMA διερευνήθηκε και πειραματικά, κάτι που μας επέτρεψε να συγκρίνουμε απ’ευθείας κάποια από τα αποτελέσματα των μοριακών προσομοιώσεων με πειραματικά δεδομένα. Σ’ένα τρίτο στάδιο μελετήθηκαν διαλύματα πολυ(αιθυλενο-ιµίνης) (PEI) με γραμμική και διακλαδωμένη αρχιτεκτονική. Σκοπός μας εδώ ήταν η διερεύνηση της επίδρασης του pH και του μοριακού βάρους στην τοπική μικροδομή, διαμόρφωση και δυναμική συμπεριφορά του πολυ-ηλεκτρολύτη σε άπειρη αραίωση συναρτήσει της μοριακής αρχιτεκτονικής του. Και εδώ, ακολούθησε λεπτομερής σύγκριση των αποτελεσμάτων των μοριακών προσομοιώσεων με βιβλιογραφικά πειραματικά δεδομένα και θεωρητικές προσεγγίσεις. Η ενδελεχής μελέτη των παραπάνω πολυ-ηλεκτρολυτών μας επέτρεψε στη συνέχεια να μελετήσουμε μέσω ατομιστικών προσομοιώσεων ΜΔ και υπολογισμών ελεύθερης ενέργειας το διφασικό διάγραμμα ισορροπίας διαλυμάτων δύο αντίθετα και πλήρως φορτισμένων ασθενών πολυ-ηλεκτρολυτών (του PAA και του PDMAEMA) που υφίστανται διφασικό διαχωρισμό καθώς σχηματίζονται δύο διακριτές υδατικές φάσεις, μια πολύ πλούσια σε πολυ-ηλεκτρολύτες και μια πολύ φτωχή σε πολυ-ηλεκτρολύτες, οι οποίες συνυπάρχουν σε θερμοδυναμική ισορροπία (γνωστό και ως φαινόμενο coacervation). Ιδιαίτερα σημαντική ήταν εδώ η μελέτη μέσω των προσομοιώσεων της κατανομής του άλατος (δηλ. της επακριβούς συγκέντρωσής του) στις δύο φάσεις όπως και η κατανόηση της τοπικής δομής του συμπλόκου των δύο πολυ-ηλεκτρολυτών στην πυκνή φάση (στο coacervate). 2021-07-23T07:20:05Z 2021-07-23T07:20:05Z 2020-07-23 http://hdl.handle.net/10889/15102 en application/pdf