Mode-coupling theory: generalizations, high dimensions and microscopic dynamics

This work contains several applications of the mode-coupling theory (MCT) and is separated into three parts. In the first part we investigate the liquid-glass transition of hard spheres for dimensions d→∞ analytically and numerically up to d=800 in the framework of MCT. We find that the critical packing fraction ϕc(d) scales as d²2^(-d), which is larger than the Kauzmann packing fraction ϕK(d) found by a small-cage expansion by Parisi and Zamponi [J. Stat. Mech.: Theory Exp. 2006, P03017 (2006)]. The scaling of the critical packing fraction is different from the relation ϕc(d)∼d2^(-d) found earlier by Kirkpatrick and Wolynes [Phys. Rev. A 35, 3072 (1987)]. This is due to the fact that the k dependence of the critical collective and self nonergodicity parameters fc(k;d) and fcs(k;d) was assumed to be Gaussian in the previous theories. We show that in MCT this is not the case. Instead fc(k;d) and fcs(k;d), which become identical in the limit d→∞, converge to a non-Gaussian master function on the scale k∼d^(3/2). We find that the numerically determined value for the exponent parameter λ and therefore also the critical exponents a and b depend on the dimension d, even at the largest evaluated dimension d=800. In the second part we compare the results of a molecular-dynamics simulation of liquid Lennard-Jones argon far away from the glass transition [D. Levesque, L. Verlet, and J. Kurkijärvi, Phys. Rev. A 7, 1690 (1973)] with MCT. We show that the agreement between theory and computer simulation can be improved by taking binary collisions into account [L. Sjögren, Phys. Rev. A 22, 2866 (1980)]. We find that an empiric prefactor of the memory function of the original MCT equations leads to similar results. In the third part we derive the equations for a mode-coupling theory for the spherical components of the stress tensor. Unfortunately it turns out that they are too complex to be solved numerically.

Molekulardynamik-Simulationen supramolekularer Komplexe unter Einfluss einer externen Kraft

Supramolekulare Komplexe werden durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Legt man eine externe Kraft an einen solchen Komplex an, ist es möglich, diese Bindungen zu öffnen. Anhand der dafür benötigten Kraft läßt sich die Stabilität des Komplexes bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei supramolekulare Komplexe, die unterschiedliche Arten von nichtkovalenten Bindungen enthalten, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen untersucht. In beiden Fällen wurden die relevanten Bindungsstrukturen und deren Stabilität ermittelt.rnZum einen wurden zwei synthetische Calix[4]aren-Catenan-Dimersysteme betrachtet, in denen die beiden Monomere über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden sind. Die Besonderheit dieser Komplexe ist, dass die Monomere aufgrund von verschlauften Alkylketten (Catenan-Struktur) nicht vollständig voneinander getrennt werden können. In Abhängigkeit der Länge derrnAlkylketten findet man für die beiden Komplexe eine unterschiedliche Zahl von relevanten Bindungsstrukturen (Zustände). Für ein System mit relativ kurzen Alkylketten findet man zwei Zustände, eine kompakte Struktur, die auch im Gleichgewicht beobachtet wird und eine gestreckte Struktur, die nur unter dem Einfluss der externen Kraft stabil ist. Verlängert man die Alkylketten,rnbeobachtet man einen weiteren Zustand, in dem das Dimer vollständig gestreckt ist und die Monomere eine größere Separation aufweisen.rnBei dem zweiten System, das untersucht wurde, handelte es sich um einen Carbohydrat-Kation-Carbohydrat Komplex, der für die Selbstadhäsion von Meeresschwämmen eine wichtige Rolle spielt. Experimentell ist bekannt, dass sich dieser Komplex zwar mit Calciumionen, nicht aber mit Magnesiumionen bildet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die wesentlichen Unterschiede der beiden Kationarten in Bezug auf die Komplexbildung auf den kleineren Ionenradius des Magnesiumions zurückzuführen sind. Aufgrund des kleineren Radius bindet ein solvatisiertes Magnesiumion die Hydrathülle stärker und die Komplexbindung wird kinetisch gehemmt. Zum anderen bindet im Magnesiumkomplex nur eines der beiden Carbohydrate direkt an das Kation.rnDas andere Carbohydrat bindet nur indirekt über ein Wassermolekül an das Kation. Da diese indirekte Bindung gegenüber einer direkten Bindung schwächer ist, weist der Magensiumkomplex eine geringere Stabilität auf als ein vergleichbarer Calciumkomplex.rnDes Weiteren wurde untersucht, inwieweit die Ergebnisse von MD Simulationen vom verwendeten Modell (Kraftfeld) abhängen. Allgemein ist bekannt, dass die Ergebnisse von Gleichgewichtssimulationen kraftfeldabhängig sind. Im Rahmen diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für Zugsimulationen, in denen eine externe Kraft an das System angelegt wird, eine ähnliche Kraftfeldabhängigkeit ergibt. Da sich die Unterschiede der Ergebnisse auf Unterschiede in den Gleichgewichtssimulationen zurückführen lassen, kann man annehmen, dass die externe Kraft keine zusätzliche Einschränkung in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Kraftfelder darstellt.rnAbgesehen von den MD Simulationen wurde eine in der Literatur beschriebene Methode zur Analyse von Zweizustandssystemen unter dem Einfluss einer konstanten externen Kraft erweitert. Ein Komplex läßt sich als Zweizustandssystem beschreiben, wenn dieser zwei relevante Bindungsstrukturen aufweist. Wird an solch einen Komplex eine konstante Kraft angelegt, lassen sich Übergänge zwischen den beiden Zuständen beobachten. Ist das System weit entfernt vom Gleichgewicht, kann es problematisch sein, einen der beiden Übergänge vollständig aufzulösen. In diesen Fällen wird nun vorgeschlagen, die beiden Übergänge zu einem sogenannten Kreisübergang zusammen zu fassen und diese zu zählen. Bestimmt man die Zahl der Übergänge pro Zeit in Abhängigkeit der angelegten Kraft, können die Übergangsraten bestimmt werden. Um die Methode zu validieren wurden kinetische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass schon mit relativ kleinen Datensätzen gute Ergebnisse erzielt werden können.

Quantum biology. Simulazioni di trasferimento di energia in una struttura dimerica

La quantum biology (QB) è un campo di ricerca emergente che cerca di affronta- re fenomeni quantistici non triviali all’interno dei contesti biologici dotandosi di dati sperimentali di esplorazioni teoriche e tecniche numeriche. I sistemi biologici sono per definizione sistemi aperti, caldi,umidi e rumorosi, e queste condizioni sono per loro imprenscindibili; si pensa sia un sistema soggetto ad una veloce decoerenza che sopprime ogni dinamica quantistica controllata. La QB, tramite i principi di noise assisted transport e di antenna fononica sostiene che la presenza di un adeguato livello di rumore ambientale aumenti l’efficienza di un network di trasporto,inoltre se all’interno dello spettro ambientale vi sono specifici modi vibrazionali persistenti si hanno effetti di risonanza che rigenerano la coerenza quantistica. L’interazione ambiente-sistema è di tipo non Markoviano,non perturbativo e di forte non equi- librio, ed il rumore non è trattato come tradizionale rumore bianco. La tecnica numerica che per prima ha predetto la rigenerazione della coerenza all’interno di questi network proteici è stato il TEBD, Time Evolving Block Decimation, uno schema numerico che permette di simulare sistemi 1-D a molti corpi, caratterizzati da interazioni di primi vicini e leggermente entangled. Tramite gli algoritmi numerici di Orthopol l’hamiltoniana spin-bosone viene proiettata su una catena discreta 1-D, tenendo conto degli effetti di interazione ambiente-sistema contenuti nello spettro(il quale determina la dinamica del sistema).Infine si esegue l’evoluzione dello stato.

Structure and dynamics of ionic liquid,electrode interfaces

In the early 20th century, Gouy, Chapman, and Stern developed a theory to describe the capacitance and the spatial ion distribution of diluted electrolytes near an electrode. After a century of research, considerable progress has been made in the understanding of the electrolyte/electrode interface. However, its molecular-scale structure and its variation with an applied potential is still under debate. In particular for room-temperature ionic liquids, a new class of solventless electrolytes, the classical theories for the electrical double layer are not applicable. Recently, molecular dynamics simulations and phenomenological theories have attempted to explain the capacitance of the ionic liquid/electrode interface with the molecular-scale structure and dynamics of the ionic liquid near the electrode. rnHowever, experimental evidence is very limited. rnrnIn the presented study, the ion distribution of an ionic liquid near an electrode and its response to applied potentials was examined with sub-molecular resolution. For this purpose, a new sample chamber was constructed, allowing in situ high energy X-ray reflectivity experiments under potential control, as well as impedance spectroscopy measurements. The combination of structural information and electrochmical data provided a comprehensive picture of the electric double layer in ionic liquids. Oscillatory charge density profiles were found, consisting of alternating anion- and cation-enriched layers at both, cathodic and anodic, potentials. This structure was shown to arise from the same ion-ion correlations dominating the liquid bulk structure that were observed as a distinct X-ray diffraction peak. Therefore, existing physically motivated models were refined and verified by comparison with independent measurements. rnrnThe relaxation dynamics of the interfacial structure upon potential variation were studied by time resolved X-ray reflectivity experiments with sub-millisecond resolution. The observed relaxation times during charging/discharging are consistent with the impedance spectroscopy data revealing three processes of vastly different characteristic time-scales. Initially, the ion transport normal to the interface happens on a millisecond-scale. Another 100-millisecond-scale process is associated with molecular reorientation of electrode-adsorbed cations. Further, a minute-scale relaxation was observed, which is tentatively assigned to lateral ordering within the first layer.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Atomistic simulations of 2D bicomponent self-assembly: from molecular recognition to self-healing

Supramolecular two-dimensional engineering epitomizes the design of complex molecular architectures through recognition events in multicomponent self-assembly. Despite being the subject of in-depth experimental studies, such articulated phenomena have not been yet elucidated in time and space with atomic precision. Here we use atomistic molecular dynamics to simulate the recognition of complementary hydrogen-bonding modules forming 2D porous networks on graphite. We describe the transition path from the melt to the crystalline hexagonal phase and show that self-assembly proceeds through a series of intermediate states featuring a plethora of polygonal types. Finally, we design a novel bicomponent system possessing kinetically improved self-healing ability in silico, thus demonstrating that a priori engineering of 2D self-assembly is possible.

miR-34a and miR-15a/16 are co-regulated in non-small cell lung cancer and control cell cycle progression in a synergistic and Rb-dependent manner

microRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs that are frequently involved in carcinogenesis. Although many miRNAs form part of integrated networks, little information is available how they interact with each other to control cellular processes. miR-34a and miR-15a/16 are functionally related; they share common targets and control similar processes including G1-S cell cycle progression and apoptosis. The aim of this study was to investigate the combined action of miR-34a and miR-15a/16 in non-small cell lung cancer (NSCLC) cells.

Accurate Predictions of Water Cluster Formation, (H2O)n=2-10

An efficient mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the water cluster system. The use of the MP2 method and correlation consistent basis sets, with appropriate correction for BSSE, allows for the accurate calculation of electronic and free energies for the formation of clusters of 2−10 water molecules. This approach reveals new low energy conformers for (H2O)n=7,9,10. The water heptamer conformers comprise five different structural motifs ranging from a three-dimensional prism to a quasi-planar book structure. A prism-like structure is favored energetically at low temperatures, but a chair-like structure is the global Gibbs free energy minimum past 200 K. The water nonamers exhibit less complexity with all the low energy structures shaped like a prism. The decamer has 30 conformers that are within 2 kcal/mol of the Gibbs free energy minimum structure at 298 K. These structures are categorized into four conformer classes, and a pentagonal prism is the most stable structure from 0 to 320 K. Results can be used as benchmark values for empirical water models and density functionals, and the method can be applied to larger water clusters.

The Search for Low Energy Conformational Families of Small Peptides: Searching for Active Conformations of Small Peptides in the Absence of a Known Receptor

Breast cancer is the most common cancer among women. Tamoxifen is the preferred drug for estrogen receptor-positive breast cancer treatment, yet many of these cancers are intrinsically resistant to tamoxifen or acquire resistance during treatment. Therefore, scientists are searching for breast cancer drugs that have different molecular targets. Previous work revealed that 8-mer and cyclic 9-mer peptides inhibit breast cancer in mouse and rat model systems, interacting with an unknown receptor, while peptides smaller than eight amino acids did not inhibit breast cancer. We have shown that the use of replica exchange molecular dynamics predicts structure and dynamics of active peptides, leading to the discovery of smaller peptides with full biological activity. These simulations identified smaller peptide analogs with a conserved turn, a β-turn formed in the larger peptides. These analogs inhibit estrogen-dependent cell growth in a mouse uterine growth assay, a test showing reliable correlation with human breast cancer inhibition. We outline the computational methods that were tried and used with the experimental information that led to the successful completion of this research.

Computational Design and Experimental Discovery of an Anti-estrogenic Peptide Derived from Alpha-Fetoprotein

Breast cancer is the most common cancer among women, and tamoxifen is the preferred drug for estrogen receptor-positive breast cancer treatment. Many of these cancers are intrinsically resistant to tamoxifen or acquire resistance during treatment. Consequently, there is an ongoing need for breast cancer drugs that have different molecular targets. Previous work has shown that 8-mer and cyclic 9-mer peptides inhibit breast cancer in mouse and rat models, interacting with an unsolved receptor, while peptides smaller than eight amino acids did not. We show that the use of replica exchange molecular dynamics predicts the structure and dynamics of active peptides, leading to the discovery of smaller peptides with full biological activity. Simulations identified smaller peptide analogues with the same conserved reverse turn demonstrated in the larger peptides. These analogues were synthesized and shown to inhibit estrogen-dependent cell growth in a mouse uterine growth assay, a test showing reliable correlation with human breast cancer inhibition.

Computational approaches for the design of peptides with anti-breast cancer properties

Background: Breast cancer is the most common cancer among women. Tamoxifen is the preferred drug for estrogen receptor-positive breast cancer treatment, yet many of these cancers are intrinsically resistant to tamoxifen or acquire resistance during treatment. Therefore, scientists are searching for breast cancer drugs that have different molecular targets. Methodology: Recently, a computational approach was used to successfully design peptides that are new lead compounds against breast cancer. We used replica exchange molecular dynamics to predict the structure and dynamics of active peptides, leading to the discovery of smaller bioactive peptides. Conclusions: These analogs inhibit estrogen-dependent cell growth in a mouse uterine growth assay, a test showing reliable correlation with human breast cancer inhibition. We outline the computational methods that were tried and used along with the experimental information that led to the successful completion of this research.

Atmospheric Implications for Formation of Clusters of Ammonium and 1−10 Water Molecules

A mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the ammonium/water clustering system. The use of the high level MP2 calculation method and correlated basis sets, such as aug-cc-pVDZ and aug-cc-pVTZ, lends confidence in the accuracy of the extrapolated energies. These calculations provide electronic and free energies for the formation of clusters of ammonium and 1−10 water molecules at two different temperatures. Structures and thermodynamic values are in good agreement with previous experimental and theoretical results. The estimated concentration of these clusters in the troposphere was calculated using atmospheric amounts of ammonium and water. Results show the favorability of forming these clusters and implications for ion-induced nucleation in the atmosphere.

Accurate Predictions of Water Cluster Formation, (H2O)n=2−10

An efficient mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the water cluster system. The use of the MP2 method and correlation consistent basis sets, with appropriate correction for BSSE, allows for the accurate calculation of electronic and free energies for the formation of clusters of 2−10 water molecules. This approach reveals new low energy conformers for (H2O)n=7,9,10. The water heptamer conformers comprise five different structural motifs ranging from a three-dimensional prism to a quasi-planar book structure. A prism-like structure is favored energetically at low temperatures, but a chair-like structure is the global Gibbs free energy minimum past 200 K. The water nonamers exhibit less complexity with all the low energy structures shaped like a prism. The decamer has 30 conformers that are within 2 kcal/mol of the Gibbs free energy minimum structure at 298 K. These structures are categorized into four conformer classes, and a pentagonal prism is the most stable structure from 0 to 320 K. Results can be used as benchmark values for empirical water models and density functionals, and the method can be applied to larger water clusters.

Microscopic Picture of Aging in SiO2

We investigate the aging dynamics of amorphous SiO2 via molecular dynamics simulations of a quench from a high temperature Ti to a lower temperature Tf.We obtain a microscopic picture of aging dynamics by analyzing single particle trajectories, identifying jump events when a particle escapes the cage formed by its neighbors, and determining how these jumps depend on the waiting time tw, the time elapsed since the temperature quench to Tf. We find that the only tw-dependent microscopic quantity is the number of jumping particles per unit time, which decreases with age. Similar to previous studies for fragile glass formers, we show here for the strong glass former SiO2 that neither the distribution of jump lengths nor the distribution of times spent in the cage are tw dependent.We conclude that the microscopic aging dynamics is surprisingly similar for fragile and strong glass formers.

Structural Analysis of alpha-Fetoprotein (AFP)-like Peptides with Anti-Breast-Cancer Properties

The abundance of alpha-fetoprotein (AFP), a natural protein produced by the fetal yolk sac during pregnancy, correlates with lower incidence of estrogen receptor positive (ER+) breast cancer. The pharmacophore region of AFP has been narrowed down to a four amino acid (AA) region in the third domain of the 591 AA peptide. Our computational study focuses on a 4-mer segment consisting of the amino acids threonine-proline-valine-asparagine (TPVN). We have run replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations and used 120 configurational snapshots from the total trajectory as starting configurations for quantum chemical calculations. We optimized structures using semiempirical (PM3, PM6, PM6-D2, PM6-H2, PM6-DH+, PM6-DH2) and density functional methods (TPSS, PBE0, M06-2X). By comparing the accuracy of these methods against RI-MP2 benchmarks, we devised a protocol for calculating the lowest energy conformers of these peptides accurately and efficiently. This protocol screens out high-energy conformers using lower levels of theory and outlines a general method for predicting small peptide structures.