Explicit and implicit modeling of nanobubbles in hydrophobic confinement

ABSTRACT

Water at normal conditions is a fluid thermodynamically close to the liquid-vapor phase coexistence and features a large surface tension. This combination can lead to interesting capillary phenomena on microscopic scales. Explicit water molecular dynamics (MD) computer simulations of hydrophobic solutes, for instance, give evidence of capillary evaporation on nanometer scales, i.e., the formation of nanometer-sized vapor bubbles (nanobubbles) between confining hydrophobic surfaces. This phenomenon has been exemplified for solutes with varying complexity, e.g., paraffin plates, coarse-grained homopolymers, biological and solid-state channels, and atomistically resolved proteins. It has been argued that nanobubbles strongly impact interactions in nanofluidic devices, translocation processes, and even in protein stability, function, and folding. As large-scale MD simulations are computationally expensive, the efficient multiscale modeling of nanobubbles and the prediction of their stability poses a formidable task to the'nanophysical' community. Recently, we have presented a conceptually novel and versatile implicit solvent model, namely, the variational implicit solvent model (VISM), which is based on a geometric energy functional. As reviewed here, first solvation studies of simple hydrophobic solutes using VISM coupled with the numerical level-set scheme show promising results, and, in particular, capture nanobubble formation and its subtle competition to local energetic potentials in hydrophobic confinement.

RESUMO

Água em condições normais consiste de um fluido termodinamicamente próximo à fase líquida-vapor exibindo alta tensão superficial. Esta combinação conduz a fenômenos capilares interessantes na escala microscópica. Simulações computacionais baseadas em técnicas de Dinâmica Molecular em solutos hidrofóbicos por exemplo fornecem evidências do fenômeno de evaporação capilar em escalas nanométricas dando origem à formação de bolhas nanométricas confinadas entre superfícies hidrofóbicas. Este fenômeno tem sido exemplificado em solutos de complexidade variável, ex placas de parafina, polímeros, canais biológicos e de estado sólido bem como proteínas tratadas atomicamente. Tem sido arguido quebolhas nanométricas possuem impacto significativo nos mecanismos fluídicos nanométricos e na estabilidade e dobramento de proteínas. Dado que simulações baseadas em dinâmica molecular são custosas computacionalmente, o desenvolvimento de uma modelagem multiescala eficiente sob o ponto de vista computacional impõe uma tarefa formidável à comunidadenano-física. Recentemente apresentamos um novo e versátil modelo de solvente denominado modelo implícito variacional de solvente (VISM) o qual é baseado em um funcional deenergia geométrica. Tal como apresentado aqui os primeiros estudos de solvatação de solutos hidrofóbicos simples usando VISM acoplados com esquemas numéricos de conjunto de níveis mostraram resultados promissores e em particular capturaram a formação de nano-bolhas e a sua competição com potenciais localmente energéticos em condições de confinamento hidrofóbico.