Investigation of association processes involving small molecules at interfaces and inside the bulk of fluid phases

Help

Back »

Details of project

Identifier

104234

Type

Principal investigator

Jedlovszky, Pál

Title in Hungarian

Kis molekulák asszociációs folyamatainak vizsgálata fluid fázisok határfelületén és belsejében

Title in English

Investigation of association processes involving small molecules at interfaces and inside the bulk of fluid phases

Keywords in Hungarian

számítógépes szimuláció, felületek, határfelületek, adszorpció, légkörkémia, aeroszolok, lipid membránok, amfipatikus molekulák

Keywords in English

computer simulation, surfaces, interfaces, adsorption, atmospheric chemistry, aerosols, lipid membranes, amphiphils

Discipline

Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)	100 %
Ortelius classification: Surface chemistry

Panel

Chemistry 1

Department or equivalent

Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)

Participants

Gilányi, Tibor

Starting date

2013-01-01

Closing date

2016-12-31

Funding (in million HUF)

15.636

FTE (full time equivalent)

2.96

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett kutatómunka során fluid és szilárd határfelületeket, valamint másodlagos kötőerőkkel összetartott tömbfázisú asszociátumokat és e rendszerekben végbemenő folyamatokat tervezünk vizsgálni, elsősorban számítógépes szimulációs módszerrel. Az elvégzett szimulációk érvényességét az eredmények kísérleti adatokkal történő összevetésével ellenőrizzük; a kísérleteket részben a project keretein belül végezzük, részben együttműködő partnereink végzik el, adott esetben pedig irodalmi adatokat használunk. A tervezett kutatás három fő részre bontható: i) fluid (folaydék-gőz és folyadék-folyadék) határfelülettel kapcsolatos problémák, ii) szilárd (szilárd-gáz és szilárd-folyadék) határfelülettel kapcsolatos problémák, és iii) tömbfázisú folyadékokkal kapcsolatos problémák. Az első problémacsoportba tartozik a folyadék felülettel kapcsolatos alapvető kérdések vizsgálata, a valódi (intrinsic) folyadék-folyadék határfelületen keresztüli oldódási szabadenergia profil számítására alkalmas módszer kifejlesztése, illetve a szobahőmérsékleten folyékony ionos rendszerek és aceton-víz elegyek folyadékfelszínének, valamint a szabad vízfelszínen adszorbeálódott tenzidmolekulák adszorpciós rétegének részletes vizsgálata. A második kérdéscsoport atmoszférakémiai és asztrofizikai jelentőségű kérdésekkel, valamint magnetit nanorészecskék felületi borításával és vizes közegben való stabilizálásával foglalkozik. Végül a harmadik kérdéskör olyan problémákat foglal magában, mint bioaktív molekulák oldódásának vizsgálata oldószer elegyekben, aceton-víz elegyek molekuláris szintű szerkezetének a korábbiaknál megbízhatóbb vizsgálata, illetve új módszertani fejlesztések.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatómunka meglehetősen sokrétű, így több alapkérdés megválaszolását is tervezzük. A fluid határfelületeket érintő vizsgálatok alapkérdése az, hogy mennyiben változnak meg az ilyen határfelületek molekuláris tulajdonságairól meglévő ismereteink, ha figyelembe tudjuk venni a folyadékfelszín kapilláris hullámok által korrugált szerkezetét és így a molekulák felszín alatti rétegződését, és ezáltal azonosíthatjuk és szelektíven vizsgálhatjuk a ténylegesen határfelületi molekulákat. Szilárd felületek vizsgálata során alapkérdésünk az, hogy mennyiben változnak meg az adszorpciós réteg tulajdonságai (orientációk, jégfelülettel való illetve laterális kölcsönhatások, elsősorban hidrogénkötések) ha egyszerre többféle molekula is adszorbeálódhat a jégfelületen, illetve mennyire szelektív ez az adszorpció egyes komponensekre. Hasonlóképpen, a szelektivitás az alapkérdése a klatrát hidrátokra vonatkozó tervezett kutatásoknak is. Tömbfázisú vizsgálataink esetén az alapkérdés az, hogy milyen mértékű a vizsgálandó bináris elegyekben az azonos fajta molekulák (ön)asszociációja, és hogyan befolyásolja ez az elegy különböző tulajdonságait, például szolvatációs képességét. Fontos célkitűzésünk az is, hogy találjunk olyan aceton modellt, mely képes reprodukálni a vízzel való korlátlan elegyedési képességet, és így megnyíljon az út a különböző aceton-víz elegyek és határfelületeik szimulációs vizsgálatai előtt. A tervezett kutatásokat módszerfejlesztési munkák teszik teljessé, itt értelemszerűen a kívánt célokra alkalmas, megvalósítható számításigényű módszerek kidolgozása a cél, amelyek majd a későbbiekben további kutatások alapjául szolgálhatnak.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett projekt elsősorban alapkutatási jellegű, számos eredménye azonban reményeink szerint felhasználható lehet további, alkalmazott kutatások során is. Az alapkutatásban a legnagyobb perspektívát kétségkívül a tervezett módszertani fejlesztések sikeres megvalósítása jelentené, lehetővé téve a későbbiekben nagyobb tömbfázisbéli aggregátumok (mikroemulziók, fehérje- ill. polimergombolyagok, micellák stb.) felületének atomi szintű azonosítását és vizsgálatát, illetve kis molekulák és ionok fluid határfelületen keresztüli szabadenergia profiljának rendszeres hibától mentes számítását, és így a megfelelő transzportfolyamatok hátterének pontosabb ismeretét. A fluid határfelületekkel kapcsolatos alapvető kérdéseket érintő vizsgálataink lehetővé tennék a felületi termodinamikai mennyiségek (pl. felületi feszültség) molekuláris okainak mélyebb megértését, illetve a molekulák felületi kinetikájának jobb megismerését, míg klatrát hidrátokkal kapcsolatos kutatásaink a Naprendszer keletkezésének molekuláris részleteibe adhatnak betekintést. Noha a többi tervezett kutatásunk szintén alapkutatási jellegű, hasznosulásukat inkább későbbi alkalmazott kutatásoktól várjuk. A szobahőmérsékletű ionos folyadékok felületének szisztematikus vizsgálata segíthetne ezen ígéretes oldószer család adott célra megfelelő tagjának kiválasztásában, folyadékelegyekre vonatkozó vizsgálataink eredményei később gyógyszertechnikai eljárásokban (hatóanyag molekulák megfelelő polimorf módosulatának kristályosítása/oldása erre alkalmas oldószer elegyben) hasznosulhatnak, míg a jég felületén történő kompetitív adszorpciós vizsgálatok későbbi légkörkémiai/környezetvédelmi kutatások alapjául szolgálhatnak.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A tervezett kutatómunka elsősorban alapkutatási jellegű, így eredményeitől nem elsősorban egy mindennapi életben hasznosuló találmányok kifejlesztése, hanem a különböző fázisok közötti határfelületeken lezajló folyamatok mélyebb, molekuláris szintű megértése várható. Az ilyen folyamatok természetesen sokszor kapcsolódnak a gyakorlati élettel kapcsolatos problémákhoz is, kutatásaink eredményei remélhetőleg alapjául szolgálhatnak későbbi, már valóban gyakorlati alkalmazások fejlesztését célzó ún. alkalmazott kutatásoknak. Kis légköri szennyező molekulák jég felületén való megkötődése a magas légkörben lejátszódó folyamat, mely különböző környezeti károsodásokhoz (pl. ózonpajzs bomlása) vezet. E kutatásaink eredményei így később a környezetvédelemben hasznosulhatnak. A vizes közegben eloszlatott parányi, mágneses tulajdonságú magnetit részecskék nagyon ígéretes rendszerek orvos-biológiai szempontból: az ilyen részecskéket és velük a felületükre kapcsolt gyógyszermolekulákat a szervezetben akár külső mágnessel is a megfelelő helyre irányíthatjuk. Az alkalmazhatóság azonban megkívánja, hogy e részecskék felületét előzetesen olyan anyaggal borítsák be, ami megakadályozza összetapadásukat (az ugyanis, egyebek közt, trombózisveszéllyel járna). Ilyen borítások vizsgálata a célja a kutatás ezzel kapcsolatos részének. A gyógyszertechnológiában fontos az adott gyógyszermolekula olyan kristálymódosulatának megfelelő tisztaságú előállítása, mely a szervezetben megfelelő sebességgel oldódik fel. Kutatásaink egyik irányának célja olyan oldószer elegyek molekuláris szerkezetének vizsgálata, melyek az ilyen előállításokhoz használhatóak lehetnek.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In this project we intend to investigate properties of various fluid and solid interfaces, and those of bulk phase aggregates of molecules attached to each other via secondary interactions. The method of the planned investigations is primarily computer simulation, which can provide a detailed, three dimensional insight into the model of the systems investigated. The performed simulations will be validated by comparing its results with experimental data, obtained either by our experimental collaborators, or within the frame of this project, or taken from the literature. The planned project consists of three main tasks, namely the molecular level investigation of i) problems related to fluid (i.e., liquid-vapor and liquid-liquid) interfaces, ii) problems related to solid (i.e., solid-vapor and solid-liquid) interfaces, and iii) bulk liquid phase related problems. The first bunch of problems includes investigation of fundamental problems related to the liquid surface, development of a new method for calculating solvation free energy profiles across the intrinsic liquid-liquid surface, and investigation of the liquid surface of room temperature ionic liquids, water-acetone mixtures and the adsorption layer of various surfactants at the free water surface. The second group includes atmospheric chemistry and astrophysics related issues, and the problem of coating and stabilizing magnetite nanoparticles in aqueous environment. The third group includes issues concerning solubility of bioactive molecules in various solvent mixtures, investigation of aqueous acetone mixtures in a more reliable way than before, and new methodological developments.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The planned research covers the study of a number of problems, and hence it is intends to answer several basic questions. The main question behind the planned investigation of fluid interfaces is to what extent our existing knowledge about the molecular level properties of such interfaces is changed if the corrugated nature of such interfaces (due to the capillary waves) and the layering of the molecules beneath the liquid surface can be taken into account, and hence the truly interfacial molecules can be identified and selectively probed. In the planned investigation of solid interfaces the basic question is how much the properties (orientation adsorbate-adsorbent and lateral interactions, in particular, H-bonding) of the adsorption layer change in case of multicomponent adsorption, and how selective is the adsorption of given components at the ice surface. Selectivity is also the main question of the planned work concerning incorporation in clathrate hydrates. In the investigation of bulk phases our main question is to what extent like molecules self-associate in binary mixtures, and how much this self-association affects various (e.g., solvation) properties of these mixtures. An important goal of this project is to find an acetone model that reproduces the full miscibility of acetone with water; this would enable us to investigate in detail the bulk and surface properties of acetone-water mixtures of various compositions. Finally, the planned project includes several methodological developments. The main aim here is evidently the development of computationally feasible methods for selected tasks; these methods would provide the basis of further research in the future.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned research project contains primarily pure scientific investigations; nevertheless, we believe that some of the results might be used later on in applied research, as well. Clearly, the most important perspectives in basic science can be expected from the planned methodological developments, which would enable the atomistic level identification and selective investigation of the surface of large bulk phase aggregates (e.g., microemulsions, globular polymers and proteins, micelles, etc.), and the systematic error-free computation of the solvation free energy profiles of small molecules and ions across fluid interfaces, which would be the basis of a better understanding of the background of the corresponding transport processes. The planned investigations of fundamental problems related to the fluid interface would lead to a deeper understanding of the molecular level background of the thermodynamic surface excess quantities (e.g., surface tension) and of the surface kinetics of the molecules, whilst the planned work on clathrate hydrates might shed some light to the molecular level details of the formation of the Solar System. The remaining tasks, although focusing also on pure scientific questions, might lead to results that can be used later on in applied research. The systematic investigation of the surface of room temperature ionic liquids might help in the selection of the proper member of this promising family of solvents for specific purposes; the results of the investigation on binary mixtures might be used later on in pharmaceutical technology (crystallization/solvation of the needed polymorphic form of the given drug molecule in the proper solvent mixture), whilst the planned studies on competitive adsorption at the ice surface might constitute the scientific basis of environmental/atmospheric chemistry oriented applied research in the future.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The character of the planned project is of pure scientific research, which means its results are expected to lead to a deeper understanding of processes occurring at the interface of different phases rather than to the development of new inventions to be used in everyday life. However, such processes are frequently related to everyday life problems, thus, we expect that the results of the present project might be later on the basis of further investigations of applied science, aiming now indeed the development of new applications. Adsorption of small air pollutant molecules at the surface of ice is a process occurring at the higher regions of the atmosphere, and leads to various environmental damages (e.g., destruction of the ozone layer). Results of our research in this direction are thus expected to have environmental applications in the future. Tiny magnetic particles of magnetite suspended in aqueous environment constitute a system with very promising biomedical applications: such particles, and also drug molecules attached to their surface can be directed to desired positions in the body even with an external magnet. However, to avoid, e.g., the risk of thrombosis, applicability of such particles requires sufficient coating of their surface to avoid aggregation. The corresponding part of this project aims at the investigation of such coatings. In pharmaceutical technology it is very important to produce the drugs in sufficiently purity in the crystalline form that dissolves in the body with required speed. Our planned research in this direction aims at the investigation of the molecular level properties of such solvent mixtures that might be used for this purpose.

Final report

Results in Hungarian

Munkánk során jól ismert jelenségek molekuláris okait próbáltuk felderíteni. Vizsgáltuk különböző folyadékok felületének molekuláris rétegeit, egy sor kis légköri szennyező molekula megkötődését jégszemcséken a magas légkörben uralkodó körülmények között, illetve víz megkötődését különböző aeroszol részecskék felületén, altató hatású molekulák elrendeződését lipid membránokban, valamint közismerten jól elegyedő folyadékok korlátlan elegyedésének molekuláris okait. Eredményeink segítettek áthidalni az élet keletkezését magyarázó ’HCN világ’ elmélet látszólagos ellentmondásait, megmutattuk hogy az ionos csoportot tartalmazó felületaktív molekulák mélyen bemerülnek a felületről a vizes fázisba, míg az alkoholos csoportot tartalmazó társaik nem, illetve kifejlesztettünk fluid határfelületek további vizsgálatai céljára több új módszert is. Megmutattuk, hogy egyes folyadékpárok az eltérő molekulák közötti erősebb vonzás miatt (energetikai okból), míg mások egyszerűen az elkeveredés miatt (entrópia okból) elegyednek egymással, és az elegyedés oka hatással van az elegy molekuláris szerkezetére is. Megmutattuk, hogy az altató hatású molekulák a sejtmembrán belsejében kétféle pozíciót is kedvelnek, valamint hogy az altató hatás összefügghet a membrán oldalirányú sűrűségének az altató molekulák jelenlétében bekövetkező csökkenésével.

Results in English

In the frame of this project we tried to shed light to the molecular reasons laying behind well known processes. We investigated the molecular layers at the surface of various liquids, adsorption of a number of atmospheric pollutants at the surface of ice grains under tropospheric conditions as well as the adsorption of water at the surface of various aerosols, the arrangement of anesthetic molecules in lipid membranes, and the molecular reasons of the miscibility of liquids that are well known to be fully miscible with each other. Our results helped to make the ‘HCN World’ hypothesis, explaining the origin of life, more plausible, showed that surfactants having an ionic headgroup immerse deeply into the water phase at its surface, while alcoholic surfactants do not, and developed several new methods for the future investigations of the molecular level structure of fluid interfaces. We showed that in certain binary liquid mixtures full miscibility is caused by the stronger attraction between the unlike molecules (energetic reason), while in some other cases it is simply driven by the ideal mixing (entropic reason), and this origin of the miscibility has a strong influence on the molecular structure of the mixture. We showed that anesthetic molecules prefer two distinct positions in the cell membrane, and that the anesthetic effect might be related to the lateral expansion of the membrane in the presence of anesthetics.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104234

Decision

Yes

List of publications

Marcello Sega, Sofia S. Kantorovich, Pál Jedlovszky, and Miguel Jorge: Identifying interfacial molecules in nonplanar interfaces: the generalized ITIM algorithm, J. Chem. Phys, 2013

Pál Jedlovszky, Mária Darvas, and George Horvai: Relation between the surface tension and roughness of the intrinsic liquid surface, Z. Naturforsch. B, 2013

Zsuzsanna E. Mészár, György Hantal, Sylvain Picaud, and Pál Jedlovszky: Adsorption of Aromatic Hydrocarbon Molecules at the Surface of Ice, As Seen by Grand Canonical Monte Carlo Simulations, J. Phys. Chem. C, 2013

Mária Darvas, Sylvain Picaud, and Pál Jedlovszky: Molecular dynamics simulations of the water adsorption around malonic acid aerosol molecules, Phys. Chem. Chem Phys, 2013

Nóra A. Rideg, Mária Darvas, George Horvai, and Pál Jedlovszky: Immersion Depth of Surfactants at the Free Water Surface. A Computer Simulation and ITIM Analysis Study, J. Phys. Chem. B, 2013

Mária Darvas, Miguel Jorge, M. Natalia D. S. Cordeiro, Sofia S. Kantorovich, Marcello Sega, and Pál Jedlovszky: Calculation of the Intrinsic Solvation Free Energy Profile of an Ionic Penetrant Across a Liquid/Liquid Interface with Computer Simulations, J. Phys. Chem. B, 2013

Abdenacer Idrissi, Kamil Polok, Mohammed Barj, Bogdan Marekha, Mikhail Kiselev, and Pál Jedlovszky: Free Energy of Mixing of Acetone and Methanol – a Computer Simulation Investigation, J. Phys. Chem. B, 2013

Mária Darvas, Miguel Jorge, M. Natália D. S. Cordeiro, Pál Jedlovszky: Calculation of the intrinsic free energy profile of methane across the liquid/liquid interface in computer simulations, J. Mol. Liquids, 2014

Júlia Kertész, Mária Darvas, Pál Jedlovszky, George Horvai: Role of the fluidity of a liquid phase in determining the surface properties of the opposite phase at the liquid-liquid interface, J. Mol. Liquids, 2014

Milán Szőri, Pál Jedlovszky: Adsorption of HCN at the Surface of Ice. A Grand Canonical Monte Carlo Simulation Study, J. Phys. Chem. C, 2014

Marcello Sega, George Horvai, Pál Jedlovszky: Microscopic Origin of the Surface Tension Anomaly of Water, Langmuir, 2014

Sylvain Picaud, Pál Jedlovszky: Adsorption of H2O2 at the surface of Ih ice, as seen from grand canonical Monte Carlo simulations, Chem. Phys. Letters, 2014

Abdenacer Idrissi, Bogdan Marekha, Mohammed Barj, Pál Jedlovszky: Thermodynamics of Mixing Water with Dimethyl Sulfoxide, as Seen from Computer Simulations, J. Phys. Chem. B, 2014

Marcello Sega, George Horvai, Pál Jedlovszky: Two-dimensional percolation at the free water surface and its relation with the surface tension anomaly of water, J. Chem. Phys., 2014

Balázs Fábián, Milán Szőri, Pál Jedlovszky: Floating Patches of HCN at the Surface of Their Aqueous Solutions – Can They Make ”HCN World" Plausible?, J. Phys. Chem. C, 2014