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Aqueous Dielectric Effects
Rinne, Klaus Friedrich

Main titleAqueous Dielectric Effects
Title variationsDielektrische Effekte in wässerigen Lösungen
Author(s)Rinne, Klaus Friedrich
Place of birth: Rinteln
1. RefereeProf. Dr. Roland Netz
Further Referee(s)Prof. Dr. Petra Imhof
Keywordsdielectric spectroscopy; ionic solutions; solvation shells; collective effects; peptides; MD simulations; nano scale pumping
Classification (DDC)530 Physics
SummaryDie elektrostatische Wechselwirkung gehört zu den fundamentalen Kräften und ist äußerst wichtig für die Dynamik der hoch polaren Wassermoleküle und das Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen. Aus experimentellen dielektrischen Relaxationsspektroskopiemessungen ist gesichert, dass durch Zugabe von Stoffen zum Wasser, wie zum Beispiel Salzen, die Stärke der dielektrischen Absorption und die Position des Absorptionsmaximums im Frequenzraum verändert wird. Eine eindeutige Zuordnung einzelner spektraler Signale zu Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten der Lösung ist jedoch ohne Unterstützung durch atomistische Simulationen unmöglich.

Das dielektrische Spektrum von wässerigen Natriumhalogenidlösungen ist in dieser Dissertation aus Molekulardynamiksimulationen berechnet und stimmt gut mit den experimentellen Messungen überein. Durch eine Aufspaltung des dielektrischen Signals in Kreuzkorrelationen zwischen verschieden Polarisationsbeiträgen von Wasser und Ionen zeigen wir, dass der dominante Beitrag von der Autokorrelation der Wasserpolarisation kommt. Der Kreuzterm zwischen Wasser- und Ionenpolarisation schwächt die Absorption. Durch eine Unterteilung des Wassersignals in die verschiedenen Solvationsschalen um Ionen zeigen wir, dass Wasser in der ersten Schale etwa die Hälfte der Amplitude seiner dielektrischen Antwort einbüßt und das Signal ins bläuliche verschoben ist. Diese Effekte in der ersten Wasserschale sind die Hauptursache für den im Gesamtspektrum beobachteten Rückgang der statischen dielektrischen Konstante und die schnellere Dynamik. Durch eine weitere Aufteilung des Wasserbeitrages in Selbstrelaxation und kollektive Relaxationen zeigen wir, dass nur die dominanten, kollektiven Beiträge beschleunigt werden. Jedoch ist im Einklang mit 2D-IR Vibratiosechospektroskopie die Selbstrelaxation der Wassermoleküle durch Ionen verlangsamt.

Durch Projektion in gefaltete und ungefaltete Zustände berechnen wir die dielektrischen Spektra für die verschiedenen Sekundärtrukturen einer Kette aus acht Alaninresiduen in wässeriger Lösung aus Gleichgewichtssimulationen. Zusätzlich zur reinen Wasserresonanz bei etwa 20 GHz tritt ein Peak im Bereich von einigen hundert Megahertz auf. Dieser ist zum großen Teil durch die hohe Polarisation des Alaninpeptides verursacht und deutlich stärker, wenn das Peptid gefaltet ist. Jedoch können wir in diesem niedrigen Frequenzbereich durch eine Aufspaltung auch einen langsamen Prozess in den kollektiven Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen innerhalb der ersten Hydrationsschale finden. Diese kollektiven Prozesse innerhalb der Hydrationsschale sind somit etwa zwei Größenordnungen langsamer als in reinem Wasser. Interesanterweise ist die Rotation von einzelnen Wasserdipolen selbst in der ersten Hydrationsschale nur wenig verlangsamt.

Eine Anwendung von dielektrischen Effekten präsentieren wir mit einem neuartigen Pumpmechanismus für Wasser auf der Nanoskala. Unsere Simulationen zeigen, dass Wasser in einer Kohlenstoffnanoröhre mittels zwei Elektroden, welche neben dem Nanokanal positioniert sind, bewegt werden kann. Voraussetzung dazu ist, dass die Elektrodenladungen zueinander phasenverschobenen im Gigahertzbereich oszillieren. Wir leiten eine analytische Theorie des Ziehens durch Polarisation her, welche die beobachtete Parameterabhängigkeit gut beschreibt. Das vorgestellte Setup ist ein potentieller Prototyp zur Erzeugung und Kontrolle von Flüssen in der Nanofluidik.
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Number of pagesV, 123 S.
FU DepartmentDepartment of Physics
Year of publication2015
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
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Authors commentsAus Copyrightgründen ist ein Zeitschriftenartikel hier nicht online veröffentlicht.
Date of defense2015-03-06
Created at2015-04-30 : 08:32:12
Last changed2015-04-30 : 08:38:26
 
Static URLhttp://edocs.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000099215
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099215-9
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