Adsorção de polieletrólitos em partículas com distribuição heterogênea de carga
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Data
2024-04-20
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Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Este trabalho tem como objetivo o estudo de um sistema composto por um polieletrólito interagindo com uma macromolécula que possui uma distribuição heterogênea de carga. O estudo foi realizado por meio de simulações computacionais utilizando o método de Monte Carlo com a implementação do algoritmo de Metropolis. A interação entre o polieletrólito e a macromolécula foi investigada dependendo de fatores como a concentração iônica do meio, a densidade de carga e a diferença de tamanho das regiões carregadas da macromolécula, denominadas patches. Além disso, o efeito de uma descontinuidade dielétrica entre o meio e a superfície adsorvente foi examinado para avaliar sua influência na adsorção do polieletrólito. Todos os componentes do sistema estão confinados em uma grande caixa de simulação esférica eletricamente neutra. A solução eletrolítica foi tratada implicitamente por meio de potenciais efetivos obtidos através da teoria de Debye-Hückel. Por meio das simulações computacionais, diversas configurações possíveis são geradas, e a média das grandezas físicas de interesse são calculadas. Foram observados dois regimes na adsorção de polieletrólitos em superfícies com carga líquida de mesmo sinal. Inicialmente, o polieletrólito está no estado dessorvido e, à medida que a concentração iônica aumenta, o efeito de blindagem atenua a repulsão eletrostática e promove a adsorção. A maior afinidade ocorre quando o comprimento de Debye se aproxima do valor do comprimento do patche de carga oposta do polieletrólito. À medida que a concentração iônica aumenta, a atração local se torna insuficiente para garantir a adsorção, e o polieletrólito dessorve. Além disso, foi observado um aumento na magnitude do potencial gerado pela macromolécula carregada ao considerar o efeito de uma descontinuidade dielétrica. Este potencial apresenta uma magnitude relativamente alta em comparação com o potencial das cargas de polarização geradas devido à presença de um monômero próximo da interface. Este efeito aumenta significativamente a afinidade de ligação entre o polieletrólito e a macromolécula com distribuição heterogênea de carga.
This work aims to study a system composed of a polyelectrolyte interacting with a fixed macromolecule containing a heterogeneous distribution of charge. The study was carried out through computer simulations using the Monte Carlo method with the implementation of the Metropolis algorithm. The interaction between the polyelectrolyte and the macromolecule was investigated, depending on factors such as the ionic concentration of the medium, the charge density, and the size difference of the charged regions of the macromolecule, referred to as patches. Additionally, the effect of a dielectric discontinuity between the medium and the adsorbing surface was examined to evaluate their influence on the adsorption of the polyelectrolyte. The entire system is confined in a large, electrically neutral simulation box. The electrolytic solution was implicitly treated through an effective potential obtained using the Debye-H\"uckel theory. Through computer simulations, the system assumes various possible configurations and statistical averages of the system are obtained. Two regimes were observed in the adsorption of polyelectrolytes on surfaces with a net charge of the same sign. Initially, the polyelectrolyte is in the desorbed state, and as the ionic concentration increases, the screening effect attenuates electrostatic repulsion and promotes adsorption. The highest affinity occurs when the Debye length approaches the value of the length of the polyelectrolyte's oppositely charged patches. As the ionic concentration increases, local attraction becomes insufficient to ensure adsorption, and the polyelectrolyte desorbs. A pronounced increase was also noted in the potential generated by the charged surface when considering the effect of a dielectric discontinuity. This potential has a relatively high magnitude compared to the repulsive potential due to polarization charges, leading to a higher binding affinity, except in cases where the surface approaches a uniformly charged sphere.
This work aims to study a system composed of a polyelectrolyte interacting with a fixed macromolecule containing a heterogeneous distribution of charge. The study was carried out through computer simulations using the Monte Carlo method with the implementation of the Metropolis algorithm. The interaction between the polyelectrolyte and the macromolecule was investigated, depending on factors such as the ionic concentration of the medium, the charge density, and the size difference of the charged regions of the macromolecule, referred to as patches. Additionally, the effect of a dielectric discontinuity between the medium and the adsorbing surface was examined to evaluate their influence on the adsorption of the polyelectrolyte. The entire system is confined in a large, electrically neutral simulation box. The electrolytic solution was implicitly treated through an effective potential obtained using the Debye-H\"uckel theory. Through computer simulations, the system assumes various possible configurations and statistical averages of the system are obtained. Two regimes were observed in the adsorption of polyelectrolytes on surfaces with a net charge of the same sign. Initially, the polyelectrolyte is in the desorbed state, and as the ionic concentration increases, the screening effect attenuates electrostatic repulsion and promotes adsorption. The highest affinity occurs when the Debye length approaches the value of the length of the polyelectrolyte's oppositely charged patches. As the ionic concentration increases, local attraction becomes insufficient to ensure adsorption, and the polyelectrolyte desorbs. A pronounced increase was also noted in the potential generated by the charged surface when considering the effect of a dielectric discontinuity. This potential has a relatively high magnitude compared to the repulsive potential due to polarization charges, leading to a higher binding affinity, except in cases where the surface approaches a uniformly charged sphere.
Descrição
Palavras-chave
Polieletrólitos, Método de Monte Carlo, Interações eletrostáticas, Simulação computacional, Polyelectrolytes, Monte Carlo method, Electrostatic interactions, Computer simulations
Como citar
ANHESINI, Dante Arroyo. Adsorção de polieletrólitos em partículas com distribuição heterogênea de carga. 2024. 57 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Biomoleculares e Farmacológicas) – Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas (Ibilce), São José do Rio Preto, 2024.