Raziskovalni projekt (so)financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Članica UL: Fakulteta za matematiko in fiziko
Šifra projekta: J1-9149
Naziv projekta: Orientacijske interakcije v posplošenem Thomsonovem problemu: dipolna stabilizacija sferičnih nanostruktur
Obdobje: 1.7.2018 - 30.6.2022
Letni obseg: 1,50FTE, cenovna kategorija: C
Vodja: Simon Čopar
Veda: Naravoslovje
Sodelujoče RO: sodelujoče RO
Sestava projektne skupine: link na SICRIS
Bibliografske reference: link na SICRIS
Vsebinski opis projekta:
Na prvi pogled je vprašanje razporeditev delcev na ukrivljenih površinah nadvse preprosto. Kljub temu je vodilo do obilja nadvse zanimivih odkritij, ki so tako naslovila nekatera osnovna vprašanja v fiziki kot tudi našla uporabo v številnih sistemih v fiziki mehke snovi, biofiziki, in fiziki materialov. V okviru tega projekta naslovimo še nerešen problem iskanja osnovnih stanj razporeditev delcev na sferičnih mrežah, kjer so interakcije med delci anizotropne in elektrostatične narave.
Skupki gradnikov, ki tvorijo (skoraj) sferično obliko, so vseprisotni v biofiziki in mehki snovi, in jih srečamo v obliki virusnih kapsid, proteinskih nanokletk, micelov, lipidnih veziklov, celic in koloidnih struktur. Velikosti gradnikov segajo vse od molekularne pa do mikronske skale, poleg odbojne interakcije trde sredice pa ti gradniki čutijo predvsem elektrostatične interakcije v različnih oblikah. Skupki so pogosto zelo simetrični, njihovo samourejanje, biološka vloga in biofizikalne lastnosti pa slonijo na faznih prehodih z zlomom simetrije.
Večina aktualnih študij urejanja skupkov na sferičnih površinah predpostavlja, da so interakcije med gradniki izotropne, kar vodi v simetrične vzorce pri katerih gradniki ležijo v vozliščih enakomernih mrež. Takšne mreže največkrat modeliramo kot mreže Casparja in Kluga, kot rešitve klasične ali alternativne različice Thomsonovega problema, ali pa kot maksime simetriziranih sfernih harmonikov. In medtem, ko je bila vloga različnih anizotropnih interakcij -- predvsem dipolne interakcije -- podrobno raziskana v planarnih strukturah, pa ostaja vprašanje ureditev na sferah in drugih ukrivljenih ploskvah neraziskano.
Ogledali si bomo možnost stabilizacije in destabilizacije sferičnih struktur z dipolnimi interakcijami, klasificirali ravnovesna stanja glede na njihovo simetrijo in raziskali fazne prehode med njimi. Vprašanje bomo reševali začenši z numerično minimizacijo simetrizirane energije za fiksno mrežo in spremenljivo orientacijo z dipolno interakcijo, zatem pa z razširitvijo na senčene, multipolne, van der Waalsove interakcije, interakcije med najbližjimi sosedi, vključili pa bomo tudi polno minimizacijo položajev in orientacij. Tako bomo raziskali različne možnosti, ki se lahko pojavijo v bioloških sistemih pod različnimi biokemičnimi pogoji v topilu. Vzpostavili bomo tudi teoretično ogrodje, v okviru katerega bomo v obzir vzeli tudi termične fluktuacije in zunanje načine zloma simetrije, ki lahko služijo kot način nadzora sestave in razpada sferičnih nanodelcev v biofiziki in, na mikronski skali, v koloidni znanosti in fiziki materialov.
Rezultati projekta bodo koristili na različnih znanstvenih področjih. Razumevanje osnovnih stanj na končnih urejenih sistemih z netrivialno topologijo je poglavitnega pomena za trdne proteinske lupine, med katere spadajo virusne kapside, vifelj-žoge, feritinske kletke, karboksisomi in sintetični virusom-podobni delci. Uporaba izbranih interakcij za zasnovo samourejajočih se nanovsebnikov je nepogrešljiva ideja, še posebno za dostavo zdravilnih učinkovin po telesu. V širšem pogledu so cilji projekta zanimivi tudi v matematiki, saj so dotična geometrijska vprašanja, povezana s Thomsonovim problemom ter njegovimi posplošitvami, pretežno nerešena celo na osnovnem teoretičnem nivoju. Vpliv projekta bo viden tudi izven samih znanstvenih rezultatov, saj bodo v njegovem okviru vzpostavljena nova sodelovanja med dvema vodilnima fizikalnima organizacijama v Sloveniji. Nenazadnje pa bo projekt igral tudi izobraževalno vlogo, šireč najnovejša dognanja v znanosti med splošnim občestvom in še posebej med študenti fizike različnih stopenj, katerim bo omogočena tudi pridružitev delu na projektu.
