[論文レビュー] Long-Range Order and Interactions of Macroscopic Objects in Polar Liquids

П. О. Федичев, L. I. Men’shikov|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2006

Advanced Chemical Sensor Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、短距離の水素結合と長距離の双極子-双極子相互作用の両方を捉える連続的ベクトル場モデルを提案し、水環境下での巨視的対象物間の強い、長距離にわたる、方向依存の相互作用の記述を可能にする。このモデルは、疎水性界面における自発的分極、水和層におけるフェロエレクトリック的秩序、および水素結合ネットワーク遷移に関連するトポロジカル励起状態を説明する。

ABSTRACT

We develop a phenomenological vector model of polar liquids capable to describe aqueous interactions of macroscopic bodies. It is shown that a strong, long-range and orientationally dependent interaction between macroscopic objects appears as a result of competition between short-range (hydrogen bonding) and the long-range dipole-dipole interactions of the solvent molecules. Spontaneous polarization of molecular dipoles next to a hydrophobic boundaries leads to formation of globally ordered network of hydrogen-bonded molecules with ferroelectric properties. The proposed vector model naturally describes topological excitations on the solute boundaries and can be used to explain the hydrogen bonds networks and order-disorder phase transitions in the hydration water layer.

研究の動機と目的

• 短距離（水素結合）および長距離（双極子-双極子）相互作用を統合する、極性液体の体系的ベクトルモデルの開発。
• 水環境下における巨視的溶質間の強い、長距離にわたる、方向依存の相互作用の起源の解明。
• 疎水性表面に近い水和層における自発的分極およびフェロエレクトリック的秩序の記述。
• 溶質界面における水素結合ネットワークのトポロジカル励起および相転移のモデル化。
• ドラッグディスカバリーモードルで用いられる溶媒化自由エネルギーおよびpKa計算のための、明示的溶媒分子動力学の計算効率の良い代替手法の提供。

提案手法

• 溶媒分子の局所的平均分極を表す連続的ベクトル場 $\mathbf{s}(\mathbf{r}) = \langle \mathbf{d} \rangle / d_0 $ に基づく形式的枠組み。
• スカラー密度およびベクトル分極度の自由度を有する極性液体の自由エネルギーを記述するフェロエレクトリックに類似したランダウ＝ギンツブルグ理論の適応。
• 長距離における双極子-双極子相互作用を、高誘電率に起因するべき力率の減衰 $ \langle s_\alpha s_\beta \rangle \sim r^{-3} $ を通じて組み込み。
• 相関関数を用いて溶質間の漸近的相互作用ポテンシャルを導出し、方向依存性を示す。
• 線形化されたモデルは、MDシミュレーションの主要な観察結果を再現する：疎水性表面に平行な双極子配列および溶媒化対象物周辺の渦状構造。
• QUANTUMソフトウェアプラットフォームへのモデル適用により、pKa予測、プロトン化状態の割り当て、およびドラッグ設計における結合親和定数の計算が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合する短距離の水素結合と長距離の双極子-双極子相互作用が、どのように長距離にわたる方向依存性溶媒化力を生じるか？
• RQ2 疎水性巨視的表面に近い場所で、水分子の双極子が自発的に分極する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 溶質界面における水素結合ネットワークのトポロジカル励起は、水和層の相転移とどのように関係するか？
• RQ4 明示的溶媒分子動力学の全アトム解像度を必要としない連続的ベクトルモデルが、MDシミュレーションの主要な特徴を正確に再現できるか？
• RQ5 誘電スクリーニングおよび長距離相関が、水中の電荷を有するまたは中性の溶質間の相互作用をどのように媒介するか？

主な発見

• モデルは、水の高い静的誘電率に直接関連する、$ \langle s_\alpha s_\beta \rangle \sim r^{-3} $ の長距離にわたる分極相関関数の力率減衰を予測する。
• 疎水性境界に近い場所で分子双極子の自発的分極が生じ、水和層にグローバルに秩序が保たれたフェロエレクトリック的ネットワークが形成される。
• 短距離の水素結合と長距離の双極子-双極子力の競合により、巨視的対象物間の相互作用は長距離にわたって強く、方向依存性を示す。
• 溶質表面におけるトポロジカル励起は、モデルによって自然に記述可能であり、MDシミュレーションで観察された水素結合ネットワークのパーベレーション転移の物理的起源として提案される。
• モデルは、MDで観測された主要な現象（疎水性表面に平行な双極子配列、溶媒化対象物周辺の渦状双極子構造）を正確に再現する。
• このベクトルモデルは計算的に効率的であり、溶媒化自由エネルギー、pKa値、およびタンパク質-リガンド結合親和定数の正確な予測が可能なQUANTUMドラッグディスカバリープラットフォームに実装されている。