Molecular Simulations of Reverse Micelles

Thumbnail Image

Files

isbn9789526409641.pdf (2.63 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-11-11
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022

Department

Kemian ja materiaalitieteen laitos
Department of Chemistry and Materials Science

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

70 + app. 76

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 141/2022

Abstract

Reverse micelles formed in apolar media via surfactant self-assembly have applications in protein separation and drug delivery, in addition to providing an aqueous chemistry platform for nanomaterial synthesis and enzymatic reactions. Self-assembly systems composed of lipid species in particular have attracted much attention due to their biocompatibility, and importance in food and pharmaceutical industry. Despite this many fundamental aspects remain poorly understood. Reverse micellisation is sensitive to e.g. the presence of moisture, solvent quality and surfactant structure. The aim of this thesis is to investigate how the aforementioned control factors influence aggregate morphology, as well as, the aggregation propensity and mechanism of lipid surfactants. This is carried out through the use of both all-atom molecular dynamics simulations, as well as, simulations combining a simplified coarse-grained solvent representation with fully atomistic solutes. The simulations show that in the absence of moisture weakly polar surfactants form small aggregates through step-wise aggregation mechanism while more polar lipids can cooperatively aggregate into large reverse micelles. Small amounts of water can trigger cooperative aggregation in weakly aggregating surfactants also, and modify the shape of aggregated structures. Increasing solvent polarity, on the other hand, favours step-wise aggregation by attenuating intersurfactant interactions. Finally, the results of this thesis suggest that the micromorphology of the simulated reverse micelles is sensitive to the simulation model employed, in particular to the tail/solvent mixing energetics and the implicit polarization of dipolar groups. The findings outlined above can be used to better interpret experimental observations, and facilitate understanding and control of reverse micellar systems. In addition, the hybrid resolution simulations of this thesis present an advancement in simulation methodology by expanding coarse-grained solvent representation to lipid species, and by explicitly accounting for electrostatics.

Surfaktanteista apolaarisessa ympäristössä itsejärjestäytyvillä käänteismiselleillä on sovellutuskohteita proteiinin erottamisessa ja lääkeaineiden kuljetuksessa. Sen lisäksi ne tarjoavat reaktioalustan nanomateriaalien synteesille ja entsymaattisille reaktioille. Varsinkin lipideistä koostuvat itsejärjestäytyvät systeemit ovat keränneet huomiota niiden bioyhteensopivuuden ja yleisyyden takia. Tästä huolimatta monet fundamentaalit seikat niiden käyttäytymisestä ovat edelleen huonosti ymmärrettyjä. Käänteismisellisoituminen on herkkä esimerkiksi kosteudelle, liuottimen laadulle, ja surfaktantin rakenteelle. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia, miten edellä mainitut tekijät vaikuttavat lipideistä muodostuneiden käänteismisellien morfologiaan, kokojakaumaan sekä muodostumismekanismiin. Tähän käytetään molekyylidynamiikkasimulaatioita, joissa käänteismisellisysteemejä mallinnetaan sekä koko systeemin osalta kemiallisesti realistisella mallilla että mallilla, jossa liuotin on kuvattu yksinkertaistetusti. Työn simulaatiot osoittavat, että ilman käänteismiselleihin liuennutta kosteutta heikosti pooliset lipidit muodostavat pieniä käänteismisellejä askeleittaisen mekanismin mukaisesti, ja voimakkaammin pooliset lipidit muodostavat kooperativisesti suuria käänteismisellejä. Pieni määrä lisättyä vettä voi laukaista suurten käänteismisellien muodostumisen myös heikosti poolisten lipidien tapauksessa, ja liuottimen poolisuuden kasvattaminen voi estää sen myös voimakkaasti poolisten lipidien osalta. Simulaatiot myös osoittavat, että muodostuneiden käänteismisellien morfologia on herkkä käytetylle mallille erityisesti lipidin häntien ja liuottimen välisen sekoitusenergian sekä poolisten ryhmien dipolimomentin suhteen. Yllä tiivistetyt tulokset auttavat kokeellisten tulosten tulkitsemisessa sekä ymmärtämään ja kontrolloimaan käänteismisellisysteemien käyttäytymistä. Lisäksi työssä käytetty ja kehitetty yksinkertaistettu liuotinkuvaus edustaa simulaatioteknistä kehitysaskelta laajentamalla kuvauksen kattamaan lipidit sekä ottamalla sähköstaattiset vuorovaikutukset eksplisiittisesti huomioon.

Description

Supervising professor

Laasonen, Kari, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland

Thesis advisor

Sammalkorpi, Maria, Dr., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland

Keywords

reverse micelle, molecular dynamics, surfactant, self-assembly, käänteismisellit, molekyylidynamiikka, surfaktantti, itsejärjestäytyminen

Other note

Parts

  • [Publication 1]: S. Vierros and M. Sammalkorpi. Phosphatidylcholine reverse micelles on the wrong track in molecular dynamics simulations of phospholipids in an organic solvent. Journal of Chemical Physics, 142, 9, 094902, 2015.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609163892
    DOI: 10.1063/1.4914022 View at publisher
  • [Publication 2]: S. Vierros and M. Sammalkorpi. Role of hydration in phosphatidylcholine reverse micelle structure and gelation in cyclohexane: a molecular dynamics study. Physical Chemistry Chemical Physics, 17, 22, 14951-14960, 2015.
    DOI: 10.1039/C5CP01799H View at publisher
  • [Publication 3]: S. Vierros, M. Osterberg and M. Sammalkorpi. Aggregation response of triglyceride hydrolysis products in cyclohexane and triolein. Physical Chemistry Chemical Physics, 20, 42, 27192-27204, 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811095633
    DOI: 10.1039/c8cp05104f View at publisher
  • [Publication 4]: S. Vierros and M. Sammalkorpi. Hybrid Atomistic and Coarse-Grained Model for Surfactants in Apolar Solvents. ACS Omega, 4, 13, 15581-15592, 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076073
    DOI: 10.1021/acsomega.9b01959 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0964-1

Collections

[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM