[논문 리뷰] Hydrophobic Interactions and Dewetting between Plates with Hydrophobic and Hydrophilic Domains

Lan Hua, Ronen Zangi외 1명|ArXiv.org|2008. 10. 11.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 나노스케일 플레이트 간의 수소결합 및 탈수 전이가 수소화성 및 수산성 도메인의 공간 분포에 매우 민감함을 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 입증한다. 큰 수소화성 클러스터는 매력적인 용매 매개 힘과 탈수를 유도하는 반면, 균일한 분포는 상호작용을 반발시키며, 수소화 효과의 가산성과 캐시 방정식이 단백질 상호작용 예측에 적용 가능한지에 의문을 제기한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 플레이트의 수소화성 및 수산성 도메인의 공간 배치가 수구조 및 플레이트 간 상호작용에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이질적인 표면에서 탈수의 임계 거리를 예측하는 데 캐시 방정식이 정확한지 판단하는 것.
• 복잡하고 비균일한 표면에서 수소화 상호작용의 가산성의 타당성을 평가하는 것.
• 이종성 플레이트 간 용매 유도 힘의 공진성 역할을 탐색하는 것.
• 수산성 강도가 탈수 동역학 및 자유 에너지 프로파일에 미치는 영향을 검토하는 것.

제안 방법

• 수소화성 및 수산성 입자 분포가 다양한 나노스케일 플레이트 사이에 봉인된 물의 분자 동역학 시뮬레이션.
• 용매 매개 플레이트-플레이트 상호작용을 정량화하기 위해 평균의 퍼텐셜(PMF) 계산.
• 수소화성 및 수산성 입자 간 상호작용을 모델링하기 위해 부분 전하와 레너드존 포텐셜 사용.
• 수소화성 도메인 크기와 분포(클러스터형 대비 균일형)를 체계적으로 변화시켜 구조적 및 에너지 반응을 탐색.
• 탈수 전구체를 식별하기 위해 인터페이스 수분 구조 분석, 즉 필름을 관통하는 변동성과 층화 현상 분석.
• 일부 수소화성, 일부 수산성 플레이트로 구성된 장누스 표면(One hydrophobic, one hydrophilic plate)을 부분 전하 강도를 변화시켜 수분의 고정 및 장벽 형성 여부를 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소화성 및 수산성 도메인의 공간 분포는 두 플레이트 간 탈수 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 대규모 수소화성 구조를 가진 이질적 표면에서 탈수의 임계 거리를 캐시 방정식이 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 클러스터형 대비 균일 분포된 수소화성 도메인을 가진 플레이트 간 용매 유도 상호작용(매력적 또는 반발적)의 성격은 무엇인가?
• RQ4 한쪽 플레이트의 수산성 강도를 증가시키면 표면 인터페이스 수분의 안정성과 탈수 발생에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대규모 수소화성 표면에서 공진성 효과로 인해 수소화 상호작용이 얼마나 비가산적인가?

주요 결과

• 플레이트에 큰 수소화성 클러스터가 존재하면 탈수 전이와 플레이트 간 매력적인 용매 매개 상호작용이 유도되며, 반면 수소화성 및 수산성 입자가 균일하게 분포하면 반발적인 용매 유도 상호작용이 발생한다.
• 매력적 상호작용 패tern과 반발적 상호작용 패턴 간 자유 에너지 차이는 약 ~230 kJ/mol에 이르며, 이는 도메인 분포의 강한 정성적 및 정량적 영향을 시사한다.
• 대규모 수소화성 구조를 가진 표면에서는 캐시 방정식이 임계 탈수 거리를 정확히 예측하지 못하며, 이는 공진성 수소화 효과 하에서의 붕괴를 시사한다.
• 강한 수산성 플레이트(Q = 0.8 e)를 가진 장누스 표면은 작은 간격에서 수분이 고정되어 탈수를 억제하고, 용매 분리 층과 관련된 자유 에너지 장벽을 형성한다.
• 탈수 전이가 발생하지 않더라도 중간 수준의 수산성 강도(Q = 0.4 e)를 가진 장누스 표면은 건조 상태 시스템과 유사한 매력적인 PMF를 나타내어, 용매 매개 매력이 여전히 유지됨을 보여준다.
• 결과적으로, 대규모 수소화성 표면을 가진 시스템에서 수소화 상호작용은 매우 공진적이며 비가산적임을 입증하며, 단백질 상호작용 모델링에서 일반적으로 사용되는 가정에 도전한다.