[论文解读] All-atom REMD simulation of poly-N-isopropylacrylamide thermodynamics in water: a model with a distinct 2-state behavior

Vladimír Palivec, Denis Zadrazil+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 11

一句话总结

本研究采用全原子副本交换分子动力学（REMD）模拟，识别并修正了广泛使用的OPLS力场在水溶液中对聚-N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）的热力学缺陷。作者开发并验证了三种改进的力场——OPLS1.2x、QM1和QM2，发现QM2最准确地再现了实验测得的 lower critical solution temperature（LCST ≈ 300 K）和塌陷热力学行为，且每单体的转变焓随链长增加而增大，这是由于多体效应所致。

ABSTRACT

Poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) is a thermoresponsive polymer, an essential building block of a large family of soft smart materials. In neat water it undergoes upon heating at $\approx$305K a phase transition from swollen to collapsed state. This interesting polymer behavior has been subject to a large number of computer modelling studies, mostly described with original OPLS force field suggested in the first works, where qualitatively correct behavior was observed. Nevertheless, employing converged replica exchange molecular dynamics simulations, we have shown on PNIPAM 30mer that this widely used force-field can not describe the phase transition thermodynamics. We found that the reason is a poor balance of hydrophobic-polar character of the polymer. We have developed and tested three new force fields OPLS1.2x, QM1, and QM2, which all exhibit two state behavior, and reasonably reproduce experimental lower critical solution temperature and transition thermodynamics. The best performance was found for QM2, which is suggested for future PNIPAM studies. Finally, the effect of polymer chain length on collapse transition thermodynamics was investigated by simulations of 20, 30 and 40mer chains. Consistent with experimental data, the transition enthalpy per monomer unit is only weakly increasing with the chain length. However, the calculated transition enthalpy is around times smaller than the experimental calorimetry value.

研究动机与目标

• 使用收敛的REMD模拟评估广泛使用的OPLS力场在水溶液中对PNIPAM的热力学准确性。
• 识别OPLS力场在描述PNIPAM线团-球团转变时失败的根本原因，特别是其疏水性与亲水性之间的失衡。
• 开发并验证改进的力场（OPLS1.2x、QM1、QM2），使其能够再现实验测得的LCST和塌陷热力学行为。
• 研究PNIPAM链长（20、30、40聚体）在无限稀释条件下的转变焓和吉布斯自由能的影响。
• 提供一个经过验证的、基于量子力学推导的力场（QM2），以实现未来对PNIPAM热响应行为的可靠模拟。

提出的方法

• 使用Gromacs 5.0.4对单链PNIPAM（20、30、40聚体）在SPC/E水溶液中进行全原子REMD模拟。
• 采用原始OPLS力场及三种修改版本（OPLS1.2x、QM1、QM2），通过重新参数化部分电荷以平衡疏水性与亲水性。
• 利用两态模型并拟合溶胀自由能ΔGu(T)至方程5，提取热力学参数（T₀、ΔH₀、ΔS₀、ΔCp,0）。
• 通过回转半径和空间分布函数分析聚合物构象状态和聚集行为。
• 在多个温度下进行模拟并采用副本交换，以确保充分采样线团-球团转变过程。
• 通过将模拟得到的LCST和转变焓与差示扫描量热法（DSC）的实验值对比，验证力场的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准OPLS力场是否能正确描述水溶液中PNIPAM线团-球团转变的热力学行为？
• RQ2 OPLS力场无法再现实验测得的LCST和两态行为的根本原因是什么？
• RQ3 能否开发出能够准确再现PNIPAM实验LCST和塌陷热力学行为的改进力场？
• RQ4 PNIPAM链长如何影响无限稀释条件下的溶胀自由能和转变焓？
• RQ5 多体效应和成核核心在PNIPAM塌陷热力学中起什么作用？

主要发现

• 原始OPLS力场无法正确描述PNIPAM的热力学行为，其疏水性被过度高估，即使在250 K时也仅存在于塌陷态。
• OPLS1.2x和QM2力场成功再现了约300 K的实验LCST，其中QM2与实验转变热力学的吻合度最佳。
• 30聚体PNIPAM的计算塌陷焓每单体约为实验DSC值的六分之一，表明存在显著的定量偏差。
• 每单体的转变焓随链长增加而增大（从20聚体的-0.48 kJ/mol增至40聚体的-0.84 kJ/mol），表明塌陷态中存在非线性的多体贡献。
• 溶胀自由能ΔGu(T)随链长增加而变得更陡峭，转变温度T₀从20聚体的338 K降至40聚体的293 K。
• QM2力场基于量子力学部分电荷推导，其疏水与亲水相互作用平衡准确，推荐用于未来PNIPAM模拟。