Modeling OF Self-Assembly of Charged Polymers

Abstract

El auto-acoblament és l'organització espontània i reversible d'unitats moleculars en estructures ordenades. El procés d'auto-acoblament compleix un paper important en la ciència de materials i de la vida, per exemple descriu la formació de cristalls moleculars, col•loides, bicapes de lípids, polímers en fases separades, i monocapes auto-acoblades. Dos factors principals en el procés d'auto-acoblament són considerats en aquest treball. El primer és l'Efecte Hidrofòbic, que produeix l'auto-acoblament espontani de les molècules en micel•les, i el segon es refereix a les Interaccions electrostàtiques. En el nostre model es consideren grups de caps polars carregats, alhora que la interacció electrostàtica té dues causes. La primera són les repulsions càrrega-càrrega entre els grups de caps carregats el que limita el nombre de monòmers de surfactants agregats. L'altra causa prové de la interacció entre els grups de caps carregats i els ions lliures en la solució, la qual cosa usualment afecta afecta la mida de l'agregat. El auto-acoblament per polielectròlits alineats i de càrregues oposades és estudiat a través de la teoria de Poisson-Boltzmann (PB) i implementat amb el paquet IPEC, que pot ser usat per analitzar l'estabilitat dels complexos inter-polielectròlit nucli-capa formats per la complexació de blocs de copolímers de càrregues oposades. Així mateix, en combinació amb la teoria de Single Chain Mean Field (SCMF), adoptem un model d'esferes per simular les estructures químiques de surfactants iònics i el seu procés de micelización. En aquesta simulació no només es consideren les repulsions càrrega-càrrega entre surfactants carregats, sinó també els efectes d'apantallament electrostàtic deguts als ions lliures de sal.

El auto-ensamblaje es la organización espontanea y reversible de unidades moleculares en estructuras ordenadas. El proceso de auto-ensamblaje cumple un papel importante en la ciencia de materiales y de la vida, por ejemplo describe la formación de cristales moleculares, coloides, bicapas de lípidos, polímeros en fases separadas, y monocapas auto-ensambladas. Dos factores principales en el proceso de auto-ensamblaje son considerados en este trabajo. El primero es el Efecto Hidrofóbico, que produce el auto-ensamblaje espontaneo de las moléculas en micelas, y el segundo se refiere a las Interacciones Electrostáticas. En nuestro modelo se consideran grupos de cabezas polares cargados, a la vez que la interacción electrostática tiene dos causas. La primera son las repulsiones carga-carga entre los grupos de cabezas cargados lo que limita el número de monómeros de surfactantes agregados. La otra causa proviene de la interacción entre los grupos de cabezas cargados y los iones libres en la solución, lo cual usualmente afecta afecta el tamaño del agregado. El auto-ensamblaje por polielectrolitos alineados y de cargas opuestas es estudiado a través de la teoría de Poisson-Boltzmann (PB) e implementado con el paquete IPEC, que puede ser usado para analizar la estabilidad de los complejos ínter-polielectrolito núcleo-capa formados por la complejación de bloques de copolímeros de cargas opuestas. Asimismo, en combinación con la teoría de Single Chain Mean Field (SCMF), adoptamos un modelo de esferas para simular las estructuras químicas de surfactantes iónicos y su proceso de micelización. En esta simulación no sólo se consideran las repulsiones carga-carga entre surfactantes cargados, sino también los efectos de apantallamiento electrostático debidos a los iones libres de sal. Por otra parte.

Self-assembly is a spontaneous and reversible organization of molecular units into ordered structures. The self-assembly process plays an important role in materials science and life science, for example it includes the formation of molecular crystals, colloids, lipid bilayers, phase-separated polymers, and self-assembled monolayers. Two principle factors in the self-assembly process are considered in this work. First is the Hydrophobic Effect, which leads to the spontaneous self-assembly of the molecules into micelles, and second is the Electrostatic Interactions. The surfactant with charged polar head group is considered in our model, and the electrostatic interaction originates from two sources. One is the charge-charge repulsions between the charged head groups which limit the number of surfactant monomers aggregated, another source comes from the interaction between the charged head groups and free ions in the solution, which affects the size of the aggregated complex usually. Self-assembly by linear oppositely charged polyelectrolytes is studied through Poisson-Boltzmann (PB) theory and implemented into software IPEC, which can be used to analyze the stability of core–shell inter-polyelectrolyte complexes formed by complexation of oppositely charged block copolymers. Secondly, combined with single chain mean field (SCMF) theory, we adopt coarse grained model to simulate chemical structures of ionic surfactants and their micellization process. In this simulation not only the charge-charge repulsions between charged surfactant are considered, but also the electrostatic screening effects by free salt ions are taken into account. Furthermore, the 2D SCMF theory is incorporated with PB theory to explore the electrostatic effect in the shape transition behavior of the micelles composed by ionic surfactant molecules.