Program P1-0002
Večskalno modeliranje in simulacija mehke in biološke snovi v in izven ravnovesja
Vodja programa: prof. dr. Matej Praprotnik
Mehke in biološke snovi imajo lastnosti, ki se raztezajo čez več različnih časovnih in prostorskih skal. Poleg tega je interakcija med različnimi skalami pogosto poglavitna za razumevanje fizikalnih in kemijskih mehanizmov pri načrtovanju novih materialov z želenimi lastnostmi. Študiranje teh kompleksnih molekularnih sistemov je zaradi omejene računske moči še vedno zahtevno. Zaradi računske učinkovitosti simulacij velikih sistemov na dolgih časovnih skalah so te eden izmed glavnih ciljev pri konstruiranju modernih simulacijskih algoritmov. Tipično so v takšnih molekularnih simulacijah specifične kemijske podrobnosti zanimive samo v tistih domenah, kjer se odvijajo relevantni procesi. Preostale domene lahko obravnavamo kot makroskopski toplotni rezervoar. Učinkovite računske metode tako uporabljajo večskalne pristope, ki sklapljajo modele z različnimi resolucijami v različnih domenah.
Sistemi mehkih in bioloških snovi so običajno odprti. To pomeni, da s svojo okolico izmenjujejo maso, energijo in gibalno količino. Kljub temu večina modernih molekularnih simulacij uporablja periodične robne pogoje s konstantnim številom delcev. Naš cilj je razviti in uporabljati računske metode, ki bodo omogočale simulacije odprtih molekularnih sistemov in bo tako sistem z okolico lahko izmenjeval maso, energijo in gibalno količino. S tem bo omogočena tudi učinkovita simulacija molekularnih sistemov v velekanoničnem ansamblu, kakor tudi neravnovesna simulacija tekočinskih tokov. V nadaljevanju bomo pristop razširili še na kontinuumski opis dinamike tekočin z Navier-Stokesovo enačbo. Takšni hibridni pristopi so posebej uporabni za simulacije transporta nanodelcev v tekočinah, kot npr. pri ciljni dostavi zdravil.
Tipični predstavniki mehke snovi so linearni polimeri. Pretekle teoretične študije so pokazale, da je v tekoče-kristalnih polimernih talinah in raztopinah prisotna sklopitev variacij orientacijskega reda in gostote-pahljačna deformacija ureditve inducira gradient gostote in obratno. To geometrijsko razlago bomo aplicirali na polimernih raztopin v izotropni fazi in raziskovali kolikšen vpliv ima gradient gostote na inducirano urejenost. Študirali bomo vpliv akustičnih valov in osmotskih koncentracijskih gradientov na opazljivo orientacijsko ureditev v polimernih talinah in raztopinah. Posebej se bomo osredotočili na biopolimere, kot je DNA.
Prav tako bomo kombinirali statistično-mehanske pristope z modernimi računalniškimi pristopi pri sklopitvi atomističnih in supramolekularnih modelov, kjer groborzrnati delec ustreza več molekulam. Pri tem se bomo poslužili npr. metod osnovanih na teoriji grafov in strojnega učenja za sistematično supramolekularno grobozrnjenje in brezhibno sklopitev z atomistično resolucijo.
Z uporabo razvitih metod bomo študirali različne relevantne probleme s področja biofizike, biologije, (bio)kemije, farmacije in znanosti materialov.
