Wasser ist einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe auf der Erde und an unzähligen biologischen, chemischen und ökologischen Prozessen beteiligt. Daher ist das Verständnis seines Verhaltens und seiner Eigenschaften in einer Vielzahl wissenschaftlicher und angewandter Bereiche von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Zweck haben Forscher verschiedene Wassermodelle entwickelt, um das Verhalten von Wasser in molekularen Simulationen nachzubilden.
Während diese Simulationen wertvolle Einblicke in die spezifischen Eigenschaften von Wasser liefern können, ist die Auswahl eines geeigneten Modells für das untersuchte System von entscheidender Bedeutung. Heute erfreuen sich zwei Wassermodelle unter biomolekularen Forschern großer Beliebtheit: das 4-Punkt-OPC-Modell (Optimal Point Charge) und das 3-Punkt-OPC-Modell (OPC3).
Diese Modelle sind für ihre Fähigkeit bekannt, verschiedene Eigenschaften von Wasser mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren, darunter Dichte, Verdampfungswärme und Dielektrizitätskonstante. Es liegen jedoch nur begrenzte Informationen darüber vor, ob OPC- und OPC3-Wassermodelle die Scherviskosität von Wasser genau vorhersagen können.
Die Viskosität von Wasser hat großen Einfluss darauf, wie Wassermoleküle mit anderen Substanzen und Oberflächen interagieren, und bestimmt kritische Phänomene wie Diffusion und Absorption. Dies beeinflusst die Textur und den Geschmack von Lebensmitteln und Getränken sowie die Art und Weise, wie Öle und Flüssigkeiten beim Kochen mit den Lebensmitteln interagieren.
Noch wichtiger ist, dass bei der Entwicklung und Herstellung pharmazeutischer Produkte sowie vieler Arten von Schmiermitteln und Polymermaterialien die Viskosität von Wasser berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus beeinflusst es, wie Wasser und wasserbasierte Lösungen durch kleine Röhrchen fließen, beispielsweise in unserem Kreislaufsystem und in mikrofluidischen Geräten.
Kürzlich führte außerordentlicher Professor Tadashi Ando von der Tokyo University of Science eine Studie durch, um die Leistung der OPC- und OPC3-Modelle zu testen, indem er ihre Scherviskositäten bewertete und die Werte mit den experimentellen Berechnungen verglich. Diese Erkenntnisse waren veröffentlicht in Das Journal of Chemical Physics.
Zunächst erstellte Dr. Ando Molekulardynamiksimulationen von bis zu 2.000 Wassermolekülen unter Verwendung beliebter Wassermodelle, darunter OPC, OPC3 und Varianten der 3-Punkt- (TIP3P) und 4-Punkt-Modelle (TIP4P) des übertragbaren intermolekularen Potenzials. Als nächstes verwendete er einen Ansatz, der als Green-Kubo-Formalismus bekannt ist – eine in der statistischen Mechanik häufig verwendete Methode zur Untersuchung der Viskosität und Wärmeleitung in verschiedenen Materialien –, um die Viskosität der Modelle zu berechnen.
Die berechneten Viskositäten für OPC- und OPC3-Wassermodelle lagen für Temperaturen im Bereich von 273 K bis 373 K sehr nahe beieinander. Bemerkenswerterweise lag die von diesen Modellen vorhergesagte Viskosität bei Temperaturen über 310 K sehr nahe an der durch frühere experimentelle Ergebnisse vorhergesagten . Bei niedrigeren Temperaturen war dies jedoch nicht der Fall.
Dr. Ando erklärt: „Im Vergleich zu anderen Wassermodellen war die Leistung der OPC- und OPC3-Modelle hinsichtlich der Vorhersage der Scherviskosität geringer als die der TIP4P- und TIP3P-Varianten, allerdings nur für Temperaturen unter 293 K.“ Bemerkenswert ist, dass die Scherviskositäten der beiden Modelle bei 273 K und 293 K etwa 10 % bzw. 20 % niedriger waren als die experimentell ermittelten Werte.
Neben der Viskosität bewertete Dr. Ando auch die Leistung der OPC- und OPC3-Modelle zur Vorhersage anderer wichtiger Wassereigenschaften wie Oberflächenspannung und Selbstdiffusion. Die Leistung von OPC und OPC3 für diese Eigenschaften war bemerkenswert genau. „Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie und denen früherer Berichte können wir den Schluss ziehen, dass OPC und OPC3 derzeit zu den besten nichtpolarisierbaren Wassermodellen gehören und die verschiedenen statischen und dynamischen Eigenschaften von Wasser berücksichtigen“, betont Dr. Ando .
Mehr Informationen:
Tadashi Ando, Scherviskosität von OPC- und OPC3-Wassermodellen, Das Journal of Chemical Physics (2023). DOI: 10.1063/5.0161476