Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Hossein Vahid Dastjerdi

Väitöskirjan nimi: Modeling of charged polymers in aqueous solutions in the presence of salt ions and substrates

Tohtoriopiskelija: Hossein Vahid Dastjerdi
Vastaväittäjä: Senior Research Associate Matej Kanduč, Jožef Stefan Institute, Slovenia
Kustos: professori Tapio Ala-Nissilä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Polyelektrolyytit ovat sähkövarauksellisia makromolekyylejä. Ne vuorovaikuttavat ympäröivien ionien kanssa vesiliuoksissa ja ovat tärkeitä monissa tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa. Esimerkkejä polyelektrolyyteistä ovat monet biologisesti merkittävät molekyylit, kuten DNA, RNA ja proteiinit, sekä synteettiset polyelektrolyytit, kuten poly(styreenisulfonaatti) ja poly(diallyylidimetyyliammoniumkloridi). Polyelektrolyyttien vuorovaikutuksia ohjaa monimutkainen elektrostaattisten, steeristen ja rajapinnan dielektristen vaikutusten yhteispeli. Tämä tekee vuorovaikutusmekanismien kattavasta molekyylistason ymmärtämisestä välttämätöntä.

Tämä väitöskirja pyrkii edistämään ymmärrystämme polyelektrolyyttien ionivuorovaikutuksista teoreettisten mallien ja molekyylidynamiikkasimulaatioiden avulla. Kehitimme ja optimoimme pehmeää potentiaalia käyttävän Poisson-Boltzmann-mallin karkeistettujen ja atomististen molekyylidynamiikkasimulaatioiden perusteella. Malli kuvaa laskennallisesti tehokkaasti ja tarkasti ionien koon merkityksen polyelektrolyyttien vuorovaikutuksiin monovalenttisissa suolaliuoksissa. Sen avulla saa tarkkoja ennusteita ionijakaumista tankomaisten polyelektrolyyttien ympäristostä. Karkeistetut simulaatiot paljastivat väitöskirjassa monivalenttisten ionien vaikutukset polyelektrolyyttien vuorovaikutuksiin. Tulokset tarjoavat oivalluksia polyelektrolyyttipohjaisten ratkaisujen suunnitteluun esimerkiksi lääkkeiden kuljetuksessa, materiaalitieteessä ja monilla muilla aloilla.

Lisäksi tutkimme ionien valenssin roolia polyelektrolyyttien elektroforeettisessa liikkuvuudessa. Vaikka vastaionien valenssia on perinteisesti pidetty hallitsevana tekijänä, osoitimme, että myös koionien valenssi vaikuttaa merkittävästi polyelektrolyytin liikkuvuuteen. Koionien valenssin lisääminen korkeassa suolakonsentraatiossa voi jopa kääntää elektroforeettisen liikkeen suunnan.

Lopuksi tarkastelimme, miten dielektrinen epäjatkuvuus nesteen ja kiinteän substraatin välillä vaikuttaa liuonneen polyelektrolyytin adsorptioon. Liuoksen suolapitoisuus, suolan ionivalenssi ja polyelektrolyytin varaus osoittautuivat kriittisiksi polyelektrolyytin substraattiadsorption kannalta. 

Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja syventää käsitystämme mekanismeista, jotka ohjaavat polyelektrolyyttivuorovaikutuksia monimutkaisissa ympäristöissä. Tulokset tarjoavat strategioita polyelektrolyyttien käyttäytymisen hallintaan ja optimointiin sovelluksissa.

Avainsanat: Polyelektrolyytti, adsorptio, suola, ionin valenssi, ionin muoto, dielektrisyysvakio, elektroforeettinen liikkuvuus, Poisson-Boltzmann-teoria, molekyylidynamiikkasimulaatio

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52 

Zoom pikaopas: https://www.aalto.fi/fi/palvelut/zoom-pikaopas