Προσομοίωση Monte Carlo επιμερισμού ατακτικού πολυστυρενίου με επιβολή χημικού δυναμικού

Abstract

Τα χειρόμορφα πολυμερή προσελκύουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων. Η πρόκληση παραμένει στη σύνθεση πολυμερών τα οποία μιμούνται φυσικά πολυμερή όσον αφορά την καταλυτική δραστικότητα τους ή την ικανότητα μοριακής αναγνώρισης, όπως συμβαίνει στις πρωτεΐνες και τα ένζυμα. Ένα τέτοιο εμπορικό πολυμερές, το πολυστυρένιο του οποίου η αλλαγή στη χειρομορφία μπορεί να οδηγήσει σε πολυστυρένιο για χρήσεις σε πιο εξειδικευμένους τομείς όπως για παράδειγμα η χρήση του σαν στατική φάση σε στήλες HPLC. Η χημική διεργασία κατά την οποία σε ένα μόριο το οποίο έχει περισσότερα από ένα χειρόμορφα κέντρα, γίνεται αλλαγή της χειρομορφίας ονομάζεται επιμερισμός και αυτή η διεργασία έχει προσομοιωθεί στην παρούσα διπλωματική εργασία. Αναπτύχθηκε αλγόριθμος Monte Carlo , ο οποίος στηρίζεται στην κίνηση αλλαγής της χειρομορφίας (ταυτότητας) μίας δυάδας μονομερών στυρενίου. Η αποδοχή της κίνησης αποφασίζεται μέσω ενός τροποποιημένου κριτηρίου Metropolis το οποίο λαμβάνει υπ’ όψιν του τη διαφορά χημικού δυναμικού ανάμεσα σε δυάδες τύπου «μέσο» και «ρακέμο». Το αδροποιημένο δυναμικό του πολυστυρενίου που έχει χρησιμοποιηθεί για προσομοιώσεις πολυστυρενίου στο παρελθόν, ευνοεί την εμφάνιση «ρακέμο» δυάδων. Έτσι, αποφασίστηκε η επιβολή μιας διαφοράς χημικού δυναμικού το οποίο ευνοεί τις μέσο δυάδες και μετά από δοκιμή και σφάλμα, βρέθηκε μία ικανοποιητική τιμή η οποία οδηγούσε σε εξισορρόπηση των στατιστικών μεγεθών των κατανομών δυάδων και τριάδων. Τέλος, με μελέτη της πειραματικής βιβλιογραφίας του επιμερισμού έγινε σύγκριση της υπολογισμένης από εμάς επιβολής χημικού δυναμικού με το υπολογισμένο χημικό δυναμικό για αλλαγή της χειρομορφίας.

Chiral polymers attract the interest of many researchers due to their unique properties. The challenge remains in the synthesis of polymers which mimic natural polymers concerning their catalytic activity or their molecular recognition property, such as proteins or enzymes. One such commercially used polymer is polystyrene, in which the change in its chirality can lead in its use for more specialized areas such as its use as a static phase in HPLC columns. The chemical process in which a molecule which has more than one chiral centers changes its chirality is called epimerism and it is this process which will be simulated in this thesis. By developing a suitable Monte Carlo algorithm based on the chirality (identity) exchange move of a dyad of polystyrene monomers. The move can be accepted or rejected through a modified Metropolis criterion, which considers the chemical potential difference between the “meso” and “racemo” dyads. The coarse grained potential of polystyrene which was used for past polystyrene simulations favored the development of “raceme” dyads. It was then decided to apply a suitable chemical potential difference to favor the meso dyads and after trying a number of chemical potential differences we found a satisfying difference which balanced the dyads and triads. In the final stage we compared the chemical potential difference derived from the simulation with experimental data on the chemical potential of epimerization.