Probleemstelling
Azo kleurstoffen vormen de grootste en belangrijkste klasse van moderne kleurstoffen. Sommige azo componenten, zoals ethyloranje (Figuur 1), vertonen een pH-sensitief gedrag: ze worden gekenmerkt door een kleurverandering bij veranderende pH. Deze kleurveranderingen worden in detail bestudeerd met als doel de pH-sensitieve kleurstoffen toe te passen in nieuwe sensormaterialen, zoals bijvoorbeeld intelligente textielvezels. De studie is meestal gebaseerd op een combinatie van experimentele technieken. UV-VIS spectra zijn de belangrijkste spectroscopische techniek voor het bestuderen van kleurstoffen, omdat deze een directe link hebben met de kleur van het species. Deze spectra beschrijven de interacties van materialen met licht in het gebied 190-380 nm (UV) en 380-750 nm (VIS). Daarnaast zijn vibrationele spectra (voornamelijk IR en Raman) ook belangrijk voor de karakterisatie van dergelijke systemen.

Om de verdere ontwikkeling en toepasbaarheid van deze azo kleurstoffen echter te optimaliseren is een grondige theoretische basis nodig, waarbij de invloed van de omgeving (solvent, textielmatrix, ...) goed in kaart gebracht moet worden.

Figuur 1: Geoptimaliseerde structuur van ethyloranje

De interactie van kleurstoffen met een solvent (meestal water) wordt steeds vaker beschreven in de literatuur, maar over de interactie met een polymeer (bv. textielvezel) is veel minder gekend. Er zijn nochtans veel experimentele aanwijzingen dat kleurstof-vezel interacties een grote invloed hebben op het pH-sensitief gedrag. De preciese structuur van deze complexen, de mogelijke interactiesites en hun invloed op de spectroscopische eigenschappen (UV-VIS, IR, ...) zijn nagenoeg ongekend.

Naast de studie van de interactie op zich, vormt de accurate en betrouwbare berekening van UV-VIS spectra nog steeds een grote uitdaging aangezien dit de kennis van de geëxciteerde toestanden vereist (Figuur 2). Hiervoor wordt voornamelijk gebruik gemaakt van de tijdsafhankelijke variant van dichtheidsfunctionaaltheorie (TD-DFT). Deze methodes zijn computationeel behoorlijk zwaar waardoor efficiënt moet omgesprongen worden met het aantal vrijheidsgraden.

Figuur 2: Energiediagram met aanduiding van toegelaten elektronische transities die aanleiding
geven tot absorptie in het UV-VIS gebied.

Doelstelling
Het doel van deze thesis is het uitvoeren van statische berekeningen (dit houdt in dat de conformatie met minimale energie gezocht en geoptimalizeerd wordt) om de mogelijke interactiesites tussen de kleurstof en het polymeer te vinden. Deze structurendienen dan als basis voor moleculaire dynamica (MD) simulaties. Op basis van deze simulaties kunnen de belangrijkste interactiesites geanalyseerd worden, alsook mogelijke complexvorming. Hierbij zal structuurkarakterisatie een belangrijk onderdeel vormen. De invloed van deze interacties op de berekende UV-VIS spectra is tevens een van de hoofddoelen van dit thesiswerk. Andere spectra (zoals IR of Raman) en andere grootheden (zoals interactie-energieën) kunnen ook bestudeerd worden.

Dit thesisonderwerp is uitdagend aangezien berekeningen op dergelijke grote systemen rekenintensief zijn en er dus slim moet omgegaan worden met de beschikbare computertijd. Het vinden van realistische conformaties vergt ook inzicht in de onderliggende chemische interacties. De thesisstudent kan zelf zijn/haar accenten leggen. De nadruk kan meer gelegd worden op het op punt stellen van de dynamicasimulaties, maar ook op het nagaan van de invloed van de gekozen methode bij het berekenen van de UV-VIS spectra. Er kan ook een set van polymeren en/of kleurstoffen onderzocht worden, afhankelijk van de interesse van de student. Er is reeds een intense samenwerking met de Vakgroep Textielkunde van de UGent, die voor de experimentele input zorgen. Het uiteindelijke doel is het vergelijken van experimentele data met berekende resultaten. Indien de student dit wenst, kunnen zelf experimenten uitgevoerd worden. De beoogde toepassingen, zoals intelligente textielmaterialen, zijn relevant en actueel en bieden veel ruimte voor creativiteit.