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Molecular dynamics simulation of functionalized NU-1000 MOF
Jonathan Netsch
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Christian Schröder
DOI
10.25365/thesis.78527
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12874.17557.882927-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Metallorganische Gerüstverbindungen (eng. abgekürzt MOF) sind vielseitige, poröse Materialien, die auf einer Kombination aus anorganischen Metallverbindungen und organischen Verbindungsstücken basieren. NU-1000 ist ein zirkoniumbasiertes MOF, das interessante katalytische Eigenschaften aufweist. Eine Forschungsgruppe der Universität Wien hat vor kurzem durch Modifikationen der Liganden innerhalb der Poren entdeckt, dass der Einbau photoreaktiver chemischer Schalter es ermöglicht, eine Ausrichtung der NU-1000-Stäbchen in einem elektrischen Feld mittels UV-Bestrahlung auszulösen. Dieses Phänomen hat das wissenschaftliche Interesse an computerbasierten Untersuchungen geweckt, was zu dieser Arbeit führte. Molekulardynamische Simulationen weicher Materie stellen eine wertvolle Ressource zur Aufklärung von Mechanismen auf molekularer Ebene und zur Identifizierung spezifischer Beiträge einzelner Spezies dar. Für diese Arbeit wurde ein Kraftfeld für NU-1000 und seinen Photoschalter Spiropyran aus Literaturquellen adaptiert und optimiert, um molekulardynamische Simulationen in OpenMM zu erzeugen. Aus den Simulationsdaten wurden Infrarot- sowie dielektrische Spektren berechnet und ausgewertet. Um mögliche Ursachen des Ausrichtungseffekts zu identifizieren, wurde die Diffusion von Ionen und Lösungsmittel innerhalb der modellierten Porenstruktur analysiert. Bei jedem Datensatz wurde das geschlossene Spiropyran mit dem offenen, aktivierten Merocyanin-Form verglichen. Zudem wurden mehrere Koordinations-Positionen getestet, um den Einfluss der Spiropyran-Positionierung in der Pore zu erörtern. Unterschiede zwischen der UV-aktivierten und der Ausgangsform des Photoschalters waren nicht eindeutig feststellbar. Dennoch konnte der verlangsamende Effekt der Porenumgebung in der Simulation erfolgreich nachgewiesen werden. Das generierte SNUFF-Kraftfeld stellt eine wertvolle Grundlage für zukünftige Untersuchungen dar.
Abstract
(Englisch)
Metal Organic Frameworks (MOFs) are a versatile group of porous materials based on inorganic metal clusters connected by organic linkers. NU-1000 is a zirconium-based MOF that was found to have interesting catalytic properties. A research group at the University of Vienna recently experimented with ligand modifications within the pores of NU-1000 and found that incorporating a photoswitch allowed them to trigger the alignment of the functionalized NU-1000 rods in an electromagnetic field using UV light. This phenomenon sparked the interest in a computational investigation, which led to this project. Soft matter molecular dynamics simulations are a valuable asset for explaining mechanisms at the molecular level and identifying the contributions of specific species. For this thesis project, a force field for NU-1000 and the photoswitch spiropyran was adapted from literature and refined to set up molecular dynamics simulations in OpenMM. From the simulation data, infrared spectra and dielectric spectra were calculated and evaluated. To explore possible reasons for the alignment effect, the diffusion of ions and solvent within a modeled pore structure was analyzed. For each data set, the closed spiropyran form and the activated open merocyanine form were compared. Several coordination positions were tested to assess the effects of different spiropyran position combinations on the results. No significant difference was found between UV-activated and default photoswitch, but the slowing influence of the confined space within pores was successfully reproduced. The developed SNUFF force field provides a valuable foundation for future investigations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Metallorganische Gerüstverbindungen Kraftfelder Molekulardynamik
Schlagwörter
(Englisch)
Metal Organic Frameworks MOF Molecular Dynamics MD Force Field FF NU-1000 Spiropyran Merocyanine OpenMM zirconium-based Pyrene Kagome network Computational Spectroscopy Infrared Spectra Dielectric Spectra Diffusion Confined Space Open Babel Packmol MDAnalysis SNUFF functionalized ACPYPE GAFF NewAnalysis Mean Square Displacement MSD Simulation Trajectory Analysis DFB Difluorobenzene Photoswitch
Autor*innen
Jonathan Netsch 
Haupttitel (Englisch)
Molecular dynamics simulation of functionalized NU-1000 MOF
Paralleltitel (Deutsch)
Molekulardynamische Simulationen von funktionalisierten NU-1000 MOF
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
viii, 128 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Schröder
Klassifikation
35 Chemie > 35.11 Quantenchemie. chemische Bindung
AC Nummer
AC17550008
Utheses ID
76172
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |