Monte Carlo Simulations of Complexation between Annealed/Quenched Polyelectrolytes and an Annealed/Quenched Nanoparticle
Abstract
I denne studien har vi sett på hvordan systemer med 1 nanopartikkel og 1-6 polyelektrolytter påvrkes av ladningsendringer. Egenskaper som antall adsorberte polyelektrolytter, kontaktprofiler, ulike representasjoner av ladningstetthet sammen med gyrasjonsradius, persistenslengde og asfærisitet har blitt studert. Systemene har blitt beregnet ved hjelp av Monte Carlo simuleringer.
Polyelektrolyttene er modellert som kuler satt sammen med fjærer (harmonisk potensial). Nanopartikkelen er modellert som en sfære med individuelle overflateladninger. To ulike systemer har blitt studert: i) en sterk (quenched) nanopartikkel sammen med sterke polyelektrolytter; og ii) en svak (annnealed) nanopartikkel med svake polyelektrolytter.
Tilstedeværelsen av ladningsendringene ble funnet til å ha stor påvirkning på ioniseringen til begge makromolekylene, egenskapene til de absorberte polyelektrolyttene og komplekset i sin helhet. Det ble funnet ut at systemer med en polyelektrolytt og en nanopartikkel, avhengig av pH, lett dannet komplekser med hverandre, og når polymerkonsentrasjonen økte, ble det observert både bundede og frie polyelektrolytter ved gitte pH-verdier. Siden egenskapene til frie og bundede polyelektrolytter viste seg å være veldig forskjellige fra hverandre gir det opphav til bimodale sannsynlighetsfordelinger for egenskapene. Et eksempel på en slik fordeling er ladninsfordelingen i de svake makromolekylene. In this work we studied how systems with one nanoparticle and 1-6 polyelectrolytes are influenced by charge regulations. The influence of pH on complex properties like the number of adsorbed polyelectrolytes, various contact and charge profiles together with conformational properties like the radius of gyration, persistence length and asphericity, were investigated. The systems were calculated using Semi-Grand Canonical Monte Carlo simulations.
The polyelectrolytes are modelled as spheres coupled together with harmonic bonds. The nanoparticle is modelled as a hard sphere with multiple surface charges. Two types of systems have been studied: i) one with quenched/strong polyelectrolytes and a quenched nanoparticle; ii) and one with annealed/weak polyelectrolytes and an annealed nanoparticle.
The presence of charge regulation was found to have a significant impact on the ionization of both macromolecules, the conformational properties of the adsorbed polyelectrolyte and the charge of the resulting complex. It is found that for systems containing 1 polyelectrolyte and 1 nanoparticle, the polyelectrolyte are, and depending on the pH of the solution, some easily bound to the nanoparticle. For systems containing up to 6 polyelectrolytes, some polyelectrolytes remain free while some are bound the nanoparticle. Since the characteristics of the free and bound polyelectrolytes are generally very different, this leads to bimodal distributions in many of the studied properties. In the case of the annealed macromolecules, the charge distribution between polyelectrolytes is also one such property.