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Simulation of kinetically limited self-assembly of colloidal particles with mobile surface DNA linkers
Leah Rank
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Pedro A. Sanchez
DOI
10.25365/thesis.73991
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15702.56946.688127-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden zahlreiche Computersimulationen von einer Schicht aus DNA-ummantelten Kolloiden – vielversprechenden, sich selbst organisierenden, supramolekularen Bauteilen mit einer Vielzahl an Applikationen wie Sensoren, Filter, oder gezielter medikamentöser Wirkstoffabhabe, durchgeführt. Das System besteht aus einer Einzelschicht einer symmetrischen binaren Mischung an kompatiblen DNACCs in einer Lösung und erfährt stabile Selbstoranisation unter kinetisch limitierten Bedingungen, d.h, bei Temperaturen unter dem stabilen DNA-Hybridisierungslimit und bei geringen bis moderaten Konzentrationen von Partikeln und Oberflächenlinkern. An der Oberfläche eines jeden Teilchens sind DNA-Polymere, sogenannte Linker, befestigt. Jedes Teilchen besitzt mehrere mobile DNA-Polymere, sogenannte Linker, die auf seiner Oberfläche befestigt sind. Sie bestehen aus einem Anker, der es ihnen erlaubt entlang der Teilchenoberfläche zu diffundieren, aus einer recht starren doppelsträngigen DNA-Sequenz, die als Verbindungsstück dient, und einer einzelsträngigen DNA-Sequenz am Ende der Doppelhelix. Es gibt gleich große Teile an zwei Arten von Partikel, die ununterscheidbar sind bis auf die Tatsache, dass die eine Linker besitzt, die mit der DNA-Sequenz A enden, und die Linker der anderen Kategorie enden mit A‘. Die verschiedenen Linkerenden sind kompatible im Sinne, dass die beiden A- und A‘-Ketten gemeinsam AA‘-DNA mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Daher ist es den Teilchen möglich, Verbindungen miteinander einzugehen, indem ihre Linker sich zusammenschließen zu einem Crosslinker. Der verwendete Algorithmus wurde von S\'anchez et al. entwickelt, die Forscher konnten ihre Arbeit validieren durch den Vergleich der Daten mit dem Experiment von McMullen et al, wo sie qualitative und quantitative Übereinstimmung beobachten konnten. Die Computersimulationen imitieren die experimentellen DNACCs unter Berücksichtigung aller relevanten Prozesse, wobei verschiedene Approximierungen und eine Kombination aus expliziten und impliziten statistischen Repräsentationen abhängig von den charakteristischen Zeitskalen benutzt wurden. Auf diese Weise können lange experimentelle Selbstorganisiationszeiten in Simulationen erreicht werden. Der Vorteil von Simulationen gegenüber Experimenten ist, dass alle Parameter ganz einfach geändert werden können. Diese Masterarbeit macht sich dies zunutze und erforscht die Reaktion des Systems, wenn die Anzahl der Linker pro Teilchen und die Teilchenkonzentration, die beiden entscheidenden Parameter bezüglich der Teilchenkonstellation nach der Selbstorganisation, verändert werden. Zusammenfassend werden die Partikel für acht verschiedene linker Konzentrationen gepaart mit acht Teilchenkonzentrationen untersucht, wobei ein Parameterraum jenseits der derzeit verfügbaren experimentellen Daten erforscht werden kann. Die Zeitentwicklung der mittleren Koordinationsnummber betrachtend, d.h. der mittleren Anzahl an Verbindungen pro Teilchen, hat die Änderung der Linker- und Partikelkonzentration einen großen Einfluss auf die Konfiguration nach der Selbstzusammensetzung, aber auch auf die Dynamiken beim Erreichen finaler Strukturen. Die charakteristischen asymptotischen Limits für jede mittlere Koordinationsnummer-Kurve wachsen mit der Konzentration von Partikeln und/oder Linkern, es zeigt sich eine ähnliche Zeitentwicklung korrespondierend mit dem limitierten Wachstumsprozess. Die Limitierungen beziehen sich auf einen allgemeinen Grundzustand, der wie ein Schachbrett aussieht aufgrund der binären Natur des Systems. Das strukturelle Phasendiagramm ist bestimmt durch die simulierten Daten und ein phänomenologisches Modell wird gefittet, um die Identifikation der Grenzen zwischen verschiedenen Strukturregionen zu erleichtern, dominiert bei entweder Dimeren, Ketten, oder kompakteren Strukturen. Schließlich zeigen die Dynamiken des Zusammensetzens von jedem System zwei verschiedene zeitliche Regime, die unterschiedlich beeinflusst werden von den beiden sich ändernden Parametern. Zu Beginn ist die Formation von Verbindungen bestimmt von der Teilchendichte, wobei später, wenn sich bestimmte Konfigurationen unter den Teilchen herausgebildet haben, Mehrkörper-Effekte übernehmen und entscheiden, wie das System Saturation erreicht. Im Allgemeinen hat die Konzentration von Linkern einen quantitativen Einfluss auf die Selbstorganisation, wobei die Teilchenkonzentration die gesamte Zeitspanne bestimmt. Bezüglich des letztgenannten Parameters begünstigen hohe Konzentrationen eine Formation von kompakten Strukturen, aber das fördert auch Gitterdefekte und Frustration, wodurch der Bereich der Kristallisation limitiert wird.
Abstract
(Englisch)
In the course of this master thesis, numerous computer simulations of a monolayer of DNA-coated colloids, DNACCs - promising self-assembling supramolecular building blocks with a variety of applications such as sensors, filters, or drug delivery, have been performed and analyzed. The system consists of a monolayer of a symmetric binary mixture of compatible DNACCs in suspension, experiencing stable self-assembly under kinetically limited conditions, that is, under a temperature below the stable DNA hybridization limit and low to moderate concentrations of particles and surface mobile linkers. Each particle has multiple mobile DNA polymers, so-called linkers, attached to its surface. They consist of an anchor allowing the linkers to diffuse on the particle surface, a rather rigid double-stranded DNA sequence acting as a stem, and a single-stranded DNA sequence following that double helix, called a sticky end. There are equal fractions of two kinds of particles that are indistinguishable except one possesses linkers that end with a single-stranded DNA sequence A and the other category’s linkers end with A’. The different sticky ends are compatible in the sense that together A- and A’-chains can form AA’-DNA via hybridization bonds. Hence, the particles in the binary mixture are able to establish connections by their linkers forming a bond, i.e., a crosslinker. The algorithm used has been developed by Sanchez et al. who were able to validate their work by comparing the data to the experiment of McMullen et al. and observing qualitative and quantitative agreement. The computer simulations mimic the experimental DNACCs by taking into account all the relevant dynamic processes, using different approximations and a combination of explicit and implicit statistical representations depending on the involved characteristic time scales. In this way, the long experimental self-assembly times can be reached in simulations. Making use of the advantage of simulations over experiments that parameters can be changed easily, this thesis explores the system’s response when changing the number of linkers per particle and the particle area concentration, the two main parameters defining the final structures after saturation of the self-assembly process. In summary, the particles have been examined for eight different linker concentrations paired with eight particle area concentrations, exploring a parameter space beyond available experimental data. Looking at the time evolution of the average coordination number, i.e., the average number of connections per particle, changing the linker and the particle concentration has a tremendous impact on both the configurations after self-assembly and also on the dynamics when reaching the final structures. The characteristic asymptotic limits for every average coordination number curve grow with the concentration of particles and/or linkers, showing a similar qualitative time evolution corresponding to a limited growth process. The limitations refer to an overall ground state which looks like a chessboard due to the binary nature of the system. The structural phase diagram as a function of particle and linker concentrations is determined from the simulation data and a simple phenomenological model is fitted, easing the identification of the boundaries between different structural regions, dominated by either dimers, linear chains, or more compact structures. Finally, the assembling dynamics of each system show two time regimes that are impacted differently by the two changing parameters. Initially, the formation of connections is governed by the particle density whereas later on once certain configurations amongst the particles have been established multi-body effects take over, defining how the system is driven to saturation. In general, the concentration of linkers has a quantitative impact on the self-assembly, whereas particle concentration determines its overall time span. For the latter parameter, high concentrations favor the fast formation of compact structures but this also promotes lattice defects and frustration, limiting the range of the crystalline order.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Simulations DNA-coated colloids mobile linkers
Schlagwörter
(Englisch)
Simulationen DNA Kolloide mobile Linker
Autor*innen
Leah Rank
Haupttitel (Englisch)
Simulation of kinetically limited self-assembly of colloidal particles with mobile surface DNA linkers
Paralleltitel (Deutsch)
Simulation von sich selbst zusammensetzenden kolloiden Teilchen mit mobilen DNA-Linkern auf der Oberfläche
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
53 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Pedro A. Sanchez
Klassifikation
33 Physik > 33.19 Theoretische Physik. Sonstiges
AC Nummer
AC16920078
Utheses ID
67703
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |