[論文レビュー] Hydrophobic Interactions and Dewetting between Plates with Hydrophobic and Hydrophilic Domains

Lan Hua, Ronen Zangi+1 more|ArXiv.org|Oct 11, 2008

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は分子動力学シミュレーションを用いて、ナノスケールの平板間の疎水性および親水性領域の空間的分布が、疎水性相互作用および脱湿転移に極めて敏感であることを示している。大きな疎水性クラスターは、溶媒を介した引力および脱湿を誘導するが、均一な分布では反発的相互作用が生じる。これは疎水性効果の加法性およびカッシー方程式による臨界脱湿距離の予測への適用性に疑問を呈する。

ABSTRACT

We study by molecular dynamics simulations the wetting/dewetting transition and the dependence of the free energy on distance between plates that contain both hydrophobic and hydrophilic particles. We show that dewetting and strength of hydrophobic interaction is very sensitive to the distribution of hydrophobic and hydrophilic domains. In particular, we find that plates characterized by a large domain of hydrophobic sites induce a dewetting transition and an attractive solvent-induced interaction. On the other hand, a homogeneous distribution of the hydrophobic and hydrophilic particles on the plates prevents the dewetting transition and produces a repulsive solvent-induced interaction. We also present results for a kind of Janus interface in which one plate consists of hydrophobic particles and the other of hydrophilic particles showing that the inter-plate gap remains wet until steric constraints at small separations eject the water molecules. Our results indicate that the Cassie equation, for the contact angle of a heterogeneous plate, can not be used to predict the critical distance of dewetting. These results indicate that hydrophobic interactions between nanoscale surfaces with strong large length-scale hydrophobicity can be highly cooperative and thus they argue against additivity of the hydrophobic interactions between different surface domains in these cases. These findings are pertinent to certain protein-protein interactions where additivity is commonly assumed.

研究の動機と目的

• ナノスケールの平板上における疎水性および親水性領域の空間的配置が、水の構造および平板間相互作用に与える影響を調査すること。
• 不均一表面における臨界脱湿距離を予測する際に、カッシー方程式が正確に機能するかどうかを特定すること。
• 複雑で非均一な表面における疎水性相互作用の加法性の妥当性を評価すること。
• 両親媒性平板間の溶媒誘起力における協同効果の役割を調査すること。
• 親水性の強さが脱湿動力学および自由エネルギー分布に与える影響を検討すること。

提案手法

• 疎水性および親水性粒子の分布を変化させた平板の間における水の閉じ込められた系の分子動力学シミュレーション。
• 溶媒を介した平板間相互作用を定量化するため、平均力ポテンシャル（PMF）の計算。
• 疎水性および親水性粒子と水との相互作用を、部分的電荷およびレナードジョーンズポテンシャルを用いてモデル化。
• 疎水性領域のサイズおよび分布（クラスタ型対均一型）を系統的に変化させ、構造的およびエネルギー的反応を調査。
• 脱湿の前駆的兆候を特定するため、界面水の構造（膜を貫通するフラクチュエーションおよび層状構造）の分析。
• 水ピン留めおよび障壁形成を評価するため、片方が疎水性で片方が親水性のジャヌス界面（1つの平板が疎水性、もう一方が親水性）を、親水性の強さ（部分的電荷強度）を変えて比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 疎水性および親水性領域の空間的分布は、2枚の平板間の脱湿転移にどのように影響を与えるか？
• RQ2 大規模な疎水性を有する不均一表面において、カッシー方程式は臨界脱湿距離を正確に予測できるか？
• RQ3 クラスタ型対比して均一に分布した疎水性領域を有する平板間の溶媒誘起相互作用（引力か反発力か）の性質は何か？
• RQ4 1枚の平板の親水性を強化すると、界面水の安定性および脱湿の発生確率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 大規模な疎水性表面において、協同効果が原因で疎水性相互作用が非加法的である程度はどの程度か？

主な発見

• 平板上に大きな疎水性クラスターが存在すると、脱湿転移および平板間の引力的溶媒を介した相互作用が誘導されるが、疎水性および親水性粒子が均一に分布している場合は反発的相互作用が生じる。
• 引力的相互作用パターンと反発的相互作用パターンの間の自由エネルギー差は最大で約~230 kJ/molに達し、領域分布の強い定性的および定量的影響を示している。
• 大規模な疎水性を有する表面ではカッシー方程式が臨界脱湿距離を正しく予測できないため、協同的疎水性効果の下でその適用性が崩れている。
• 強い親水性平板（Q = 0.8 e）を有するジャヌス界面では、小さな間隔で水がピン留めされ、脱湿が抑制され、溶媒を介した層が関与する自由エネルギー障壁が形成される。
• 脱湿転移が発生しない状況下でも、中程度の親水性（Q = 0.4 e）を有するジャヌス界面は、乾燥を伴う系と同様に引力的PMFを示し、溶媒を介した引力が持続することを示している。
• 本結果は、大規模な疎水性を有する系における疎水性相互作用が強く協同的かつ非加法的であることを示しており、タンパク質相互作用のモデル化における一般的な仮定に疑問を呈する。