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Die Magie des Wassers: Wie lässt sich das Mysterium des Wassers mithilfe der Computerchemie simulieren?
Wasser ist einer der wichtigsten Stoffe auf der Erde und seine einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften sind für die Existenz von Leben von entscheidender Bedeutung. Seit dem Aufkommen der Computerchemie arbeiten Wissenschaftler daran, das Verhalten von Wasser mithilfe mathematischer Modelle zu simulieren. Diese Modelle sagen nicht nur die physikalischen Eigenschaften des Wassers voraus, sondern geben auch Aufschluss darüber, wie Wasser in unterschiedlichen Umgebungen reagiert und welche Rolle es in lebenden Organismen spielt.
„Die Eigenschaften des Wassers hängen eng mit seiner Molekülstruktur zusammen, die mit Methoden der Computerchemie simuliert und vorhergesagt werden kann.“
Wassermodelle werden in der Computerchemie hauptsächlich zur Simulation von Wassermolekülaggregaten, flüssigem Wasser und wässrigen Lösungen verwendet. Diese Modelle basieren auf Quantenmechanik, Molekularmechanik, experimentellen Daten oder einer Kombination dieser Methoden. Um die spezifischen Eigenschaften von Wassermolekülen nachzubilden, haben Forscher verschiedene Arten von Modellen entwickelt, die im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt werden können: (i) die Anzahl der Interaktionspunkte, die als „Stellen“ bezeichnet werden, (ii) die starre oder flexible und ( iii) ob das Modell Polarisationseffekte beinhaltet.
Bei der Simulation von Wasser besteht ein gängiger Ansatz darin, ein explizites Lösungsmittelmodell zu verwenden, d. h. ein Modell, das auf bestimmten Molekülen basiert. Als Alternative zu diesen expliziten Modellen stehen implizite Lösungsmittelmodelle zur Verfügung, die ein Kontinuumsmodell zur Behandlung des Verhaltens von Wasser verwenden. Beispiele für diesen Bereich sind das COSMO-Lösungsmittelmodell oder das polarisierbare Kontinuumsmodell (PCM) oder sogar einige gemischte Lösungsmittelmodelle.
Einfaches Wassermodell
Das starre Modell gilt als das einfachste Modell für Wasser und basiert auf nichtgebundenen Wechselwirkungen. In diesen Modellen werden Bindungsinteraktionen implizit über globale Einschränkungen behandelt. Elektrostatische Wechselwirkungen werden auf Grundlage des Coulombschen Gesetzes modelliert, während Abstoßungs- und Dispersionskräfte mithilfe von Lennard-Jones-Potentialen beschrieben werden. Diese Potenzialmodelle, wie TIP3P (Transferable Three-Point Molecular Potential) und TIP4P, werden wie folgt dargestellt:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Wobei kC die elektrostatische Konstante, qi und qj die Partialladungen relativ zur Elektronenladung und rij der Abstand zwischen den beiden Atomen ist. In vielen Wassermodellen gilt der Lennard-Jones-Term nur für Wechselwirkungen zwischen Sauerstoffatomen. Die geometrischen Parameter verschiedener Wassermodelle, wie etwa OH-Abstand und HOH-Winkel, variieren je nach Modell.
Zwei- und dreidimensionale Modelle
Das Zwei-Stellen-Modell basiert auf dem bekannten Drei-Stellen-SPC-Modell und kann die dielektrischen Eigenschaften von Wasser mithilfe der ortsrenormalisierten molekularen Fluidtheorie vorhersagen. Das dreidimensionale Modell entspricht den drei Atomen des Wassermoleküls, wobei jedes Atom eine Ladung besitzt. Das dreidimensionale Modell ist rechnerisch effizient und wird häufig in vielen molekulardynamischen Simulationen verwendet.„Die häufig verwendeten dreidimensionalen Modelle wie TIP3P eignen sich gut zur Berechnung der spezifischen Wärmeleistung.“
Beispielsweise fügt das SPC/E-Modell der potentiellen Energiefunktion eine Polarisationskorrektur hinzu, wodurch die resultierende Wasserdichte und Diffusionskonstante besser sind als beim SPC-Modell. Das TIP3P-Modell wird häufig im CHARMM-Kraftfeld verwendet und am ursprünglichen Modell werden leichte Modifikationen vorgenommen, um es für die Simulation biologischer Moleküle besser geeignet zu machen.
Flexible vs. starre ModelleDas flexible SPC-Wassermodell ist ein neu parametrisiertes dreidimensionales Wassermodell. Im Gegensatz zum starren SPC-Modell kann das flexible Modell die Dichte und Dielektrizitätskonstante von Wasser in molekulardynamischen Simulationen korrekt beschreiben. Dieses Modell ist in mehreren Computerprogrammen wie MDynaMix und Abalone implementiert.
Wassermodelle höherer Ordnung
Das Vierstellenmodell verbessert die Ladungsverteilung von Wassermolekülen, indem es ein Dummy-Atom neben dem Sauerstoffatom des Dreistellenmodells hinzufügt. Das erste derartige Modell geht auf das Bernal-Fowler-Modell von 1933 zurück. Obwohl das Modell historisch wichtig war, konnte es die wichtigsten Eigenschaften des Wassers nicht sehr gut reproduzieren.
Das TIP4P-Modell wird häufig in Software für computergestützte Chemie verwendet und spielt eine Schlüsselrolle bei der Simulation biomolekularer Systeme, während neue Wassermodelle wie das OPC-Modell die elektrischen Eigenschaften von Wasser genauer beschreiben können.
Die Entwicklung der Fünf- und Sechspositionenmodelle
Obwohl das 5-Bit-Modell einen hohen Rechenaufwand erfordert, wurden in den letzten Jahren mit der Einführung des TIP5P-Modells schrittweise Fortschritte erzielt. Das 5-Bit-Modell reproduziert die Geometrie des Wasserdimers besser und kann die experimentellen Daten genau erfassen. Das 6-Bit-Modell integriert alle Merkmale früherer Modelle in die Daten und ist speziell für die Untersuchung von Wasser- und Eissystemen konzipiert.
„In der Computerchemie ist die Simulation von Wasser nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch ein Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise des Lebens.“
Rechenaufwand und Zukunftsaussichten
Der Rechenaufwand des Wassermodells steigt mit der Anzahl der Standorte. Bei Moleküldynamik-Simulationen steigt mit der Anzahl der Standorte auch die Anzahl der zu berechnenden interatomaren Abstände. Die Entwicklung dieser Modelle ist jedoch nicht nur eine mathematische Erzählung, sondern ein Mikrokosmos des tatsächlichen Verhaltens von Wasser in der Natur. Werden wir mit dem technologischen Fortschritt in naher Zukunft Modelle finden, die noch mehr Geheimnisse des Wassers lüften?
