Beschreibung
Die Eigenschaften vieler Materialien hängen nicht nur von deren chemischer Zusammensetzung ab, sondern auch von der Selbstorganisation der beteiligten Moleküle. Unter Selbstorganisation versteht man die Bildung von definierten Suprastrukturen aus molekularen oder großen (makroskopischen) Bausteinen durch nichtkovalente Kräfte. Eine der Haupttriebkräfte ist dabei die Amphiphilie. Amphiphile Verbindungen enthalten sowohl größere hydrophile als auch hydrophobe Fragmente. Das Wechselspiel von Anziehung (z. B. durch elektrostatische Wechselwirkungen) und Abstoßung (z. B. zwischen Wasser und unpolaren Gruppen) der einzelnen Molekülteile mit dem Lösungsmittel führt zu einer Vielzahl von Suprastrukturen.
Trotz zahlreicher Fortschritte auf diesem Gebiet und vielseitigen praktischen Anwendungen supramolekularer Komplexe, z. B. im Bereich Emulsionen, elektrische Bauteile und Wirkstoffverabreichung, bleibt es eine große Herausforderung die Selbstorganisation von Einzelmolekülen zu Materialen vorherzusagen. Dies ist aber erforderlich um gezielt bestimmte Materialeigenschaften erzeugen und steuern zu können. Die genannten Anwendungsbereiche machen deutlich, dass ein Zusammenspiel von verschiedenen Disziplinen, wie Physik, Biologie, Chemie und Materialwissenschaften erforderlich ist um die Grundlagen der Selbstorganisation herauszuarbeiten und nutzen zu können. Ein Vorteil für zukünftige Anwendungen supramolekularer Systeme ist deren Schaltbarkeit. Daher bieten sie sich für adaptive Materialien an, die auf ihre Umgebung reagieren. Denn die Stärke nichtkovalenter Wechselwirkungen ist im Gegensatz zu kovalenten Bindungen in hohem Maße von den äußeren Parametern wie pH-Wert, Temperatur oder Lösungsmittel abhängig. Aufgrund ihrer chemischen Robustheit, optischen und elektronischen Eigenschaften rückten Aggregate pi-konjugierter Farbstoffmoleküle in wässriger Lösung in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus experimenteller Untersuchungen.
Die bei der Selbstorganisation wirksamen Kräfte zwischen den Einzelbausteinen resultieren aus der Summe nicht-kovalenter Wechselwirkungen und beinhalten elektrostatische Wechselwirkungen, Dispersionswechselwirkungen, sowie anziehende und abstoßende Orbitalwechselwirkungen. Da die einzelnen Beiträge stark lösungsmittelabhängig sind, kann dies insbesondere im Wasser zu großen Bindungskonstanten führen, weil der hydrophobe Effekt den Hauptteil zur freien Standardenthalpie für die Aggregatbildung liefert.
In diesem Teilprojekt sollen supramolekulare Komplexe mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationen, insbesondere mit Methoden zur Berechnung freier Energien, untersucht werden. Molekulardynamiksimulationen mit atomistischen Modellen bieten durch ihre hohe Auflösung einen vielversprechenden Ansatz um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu verstehen. Das Ziel ist die Methodenbewertung und die Entwicklung von effizienten Simulationsstrategien anhand von Beispielsystemen, um künftig Vorhersagen zum Aggregationsgleichgewicht und der zugehörigen Kinetik zu ermöglichen. Dabei werden vor allem funktionalisierte Perylen-Diimid Moleküle betrachtet, von denen bekannt ist, dass sie in Wasser durch Selbstorganisation vielfältige Architekturen ausbilden.