Caracterització de la interacció ió-grafè en una solució aquosa mitjançant simulació de dinàmica molecular

Abstract

A proper description of ions at aqueous interfaces is a fundamental problem which has been thoroughly studied both theoretically and experimentally for a long time. The interaction of ions with interfaces plays an important role in a wide range of phenomena, including the structure and function of nucleic acids, enzymes and proteins, or the selectivity of ion channels in cell membranes. In this project, the interaction between a ionic species and a graphene plane in liquid water will be characterized from Molecular Dynamics simulations. The full series of alkali and halide ions have been analysed. The ion-graphene potential of mean force have been determined. The structural and dynamical properties of graphene and ion hydration water for some selected distances have been analysed. The ion density profiles have been shown that they almost tend to fill all space avoiding the regions near the surfaces. The previous step has been the study of ion interaction in liquid water. A similar study has been previously done an non-polar solute (C. Calero,J. Martí, E. Guàrdia, and Marco Masia, “Characterization of the Methane−Graphene Hydrophobic Interaction in Aqueous Solution from Ab Initio Simulations”, J. Chem. Theory. and Comput., 9, 5070-5075 (2013)).

En este trabajo se ha estudiado la interacción grafeno-ión en una disolución acuosa. Es decir, se ha determinado el potencial de fuerza media de estos dos componentes en función de la su distancia. Se han hecho simulaciones de Dinámica Molecular utilizando la técnica de Umbrella Sampling junto con Weighted Histogram Analysis Method para poder estudiar todo el rango de distancias. Los perfiles de densidad de los iones han mostrado la tendencia de estos a ocupar la mayor parte del espacio evitando sobretodo las zonas cercanas al grafeno. Hemos podido diferenciar el comportamiento en la superficie del comportamiento en el resto del volumen. El paso previo al objetivo final ha sido estudiar la interacción iónica en presencia de solvente acuoso. Se ha seguido un procedimiento similar al estudio de grafeno-metano realizado por C. Calero et al.: Characterization of the methane-graphene hydrophobic interaction in aqueous solution from ab initio simulations, Journal of Chemical Theory and Computation, vol. 9, no. 11, pp. 5070-5075, 2013.

En aquest treball s'ha estudiat la interacció grafè-ió en una dissolució aquosa. És a dir, s'ha determinat el potencial de força mitjana d'aquests dos components en funció de la seva distància. S'han fet simulacions de Dinàmica Molecular utilitzant la tècnica d'Umbrella Sampling juntament amb Weighted Histogram Analysis Method per poder estudiar acuradament tot el rang de distàncies. Els perfils de densitat dels ions han mostrat la tendència d'aquests a ocupar la major part de l'espai evitant sobretot les zones properes al grafè. Hem pogut diferenciar el comportament a la interfície del comportament a la resta del volum. El pas previ a l'objectiu final ha sigut estudiar la interacció iònica en presència de solvent aquós. S'ha seguit un procediment anàleg a l'estudi de grafè-metà dut a terme per C. Calero et al.: Characterization of the methane-graphene hydrophobic interaction in aqueous solution from ab initio simulations, Journal of Chemical Theory and Computation, vol. 9, no. 11, pp. 5070-5075, 2013.