Odseki

Razvili bomo večskalne tehnike računskega modeliranja in z njimi simulirali tokove tekočin v nanosnoveh. Z računalniškimi simulacijami lahko študiramo take sisteme, kadar z njimi lahko opišemo dogajanje na atomistični (red velikosti nanodelcev) in na makroskopski skali (kontinuumski tokovi). S simulacijami molekulske dinamike lahko dobimo vpogled v mikroskopsko dogajanje na meji med tekočino in nanodelcem, vendar pa z njimi ne moremo simulirati tekočine na makroskopski skali, saj bi bile te simulacije računsko preveč potratne. S kontinuumskim opisom, tj. z Navier-Stokesovimi enačbami, lahko simuliramo tokove na makroskopski skali, vendar pri tem izgubimo atomistične detajle v bližini nanodelca in posledično napačno opišemo tok okoli njega. Večskalno modeliranje sklopi oba opisa, kar omogoča obravnavo takočine na  makroskopskem nivoju in hkrati tudi pravilno določitev robnega pogoja toka tekočine v bližini nanodelca na mikroskopski ravni. Poleg tega je v eksperimentih opazovani molekulski sistem sklopljen z okolico. Z njo torej lahko izmenjuje maso, gibalno količino in energijo. Standardne molekulske simulacije pa ponavadi izvedemo v zaprtih simulacijskih škatlah, z uporabo periodičnih robnih pogojev, pri čemer je število delcev v simuliranem sistemu vselej konstantno. Zato je potrebno razviti simulacijske tehnike za obravnavo odprtih sistemov, ki bi v ravnovesnih in neravnovesnih pogojih lahko izmenjevali maso in energijo z okolico.

Namen tega projekta je razvoj simulacijskih metod, ki bi omogočale sočasen opis nanosistemov na mikroskopski, mesoskopski in kontinuumski ravni. Izvedli bomo večskalne simulacije toka vode skozi membrane iz ogljikovih nanocevk. Poleg tega bomo simulirali tudi tokove različnih organskih topil, npr. tekočega butana, heksana, dekana, benzena itd., okoli tioliranih zlatih nanodelcev. V ta namen bomo razvili in uporabili odprto simulacijo molekulske dinamike, ki bo omogočala izmenjavo delcev med sistemom in okolico, ravnovesne simulacije v velekanoničnem ansamblu in neravnovesne simulacije tekočinskih tokov. Tok bomo v sistem vpeljali preko zunanjega robnega pogoja. Gibalne enačbe bodo pri tem ostale nespremenjene. S to metodo bomo študirali tudi rotacijo in prekopicevanje zvezdastih polimerov v talini. Poleg tega bomo opazovali tudi strukturne spremembe proteinov v tekočini pod strižnim tokom. Naše večskalne metode bodo sklopile mikroskopski in mezoskopski opis sistemov in s tem omogočile študij fizikalnih pojavov, ki jih ne moremo učinkovito simulirati zgolj enoskalno.

Faze projekta

Projekt je razdeljen na 4 delovne pakete (DP):

DP1:
Metodo OBMD bomo dodatno razvili za izračun robnih pogojev z delnim zdrsom, ki jih bomo nato uporabili v simulacijah toka vode skozi membrano ogljikovih nanocevk s pomočjo računske dinamike tekočin. Zdrsno dolžino, ki je neznan parameter robnega pogoja, bomo določili s prileganjem energijske disipacije k njeni vrednosti izračunani z metodo OBMD. Določili bomo tudi robni pogoj z delnim zdrsom na stiku vode in sten membrane iz oscilirajočih ogljikovih nanocevk. Z njegovo uporabo v kontinuumski metodi računske dinamike tekočin nameravamo določiti fizikalni princip, ki bo razložil razhajanje med eksperimentalnimi podatki za tekočinski tok skozi membrano in simulacijami. DP1 bodo izvajali dr. Tilen Potisk (KI), dr. Jurij Sablič (KI) in prof. dr. Matej Praprotnik (KI) v sodelovanju s skupino iz UL FMF.

DP2:
S pomočjo OBMD iz DP1 bomo študirali tekočinske tokove vrste organskih topil mimo zlatih nanodelcev. Zlate nanodelce bomo funkcionalizirali z alkantiolnimi molekulami različnih velikosti. Slednje bodo tvorile roke okrog metalnega jedra. Izračunali bomo robni pogoj za tok mimo nanodelcev in študirali njegovo odvisnost od velikosti zlatega jedra in dolžine alkalnih rok. Robni pogoj bomo potem uporabili v kontinuumskih simulacijah, kjer bomo preučevali vpliv hidrodinamike topila na nanodelec in obratno. DP2 bosta izvajala dr. Tilen Potisk (KI) in prof. dr. Matej Praprotnik (KI) v sodelovanju s skupino iz UL FMF.

DP3:
Implementirali bomo metodo OBMD iz DP1 in DP2 na grafične kartice. Tako bomo lahko simulirali sisteme na daljših časovnih skalah. Nato bomo študirali proteine v vodi pod strižnim tokom in opisali spremembe njihove strukture. V ta namen bomo uporabili kombinacijo metode OBMD z DPD in kontinuumsko hidrodinamiko in opisali, kako hidrodinamske interakcije vplivajo na strukturne spremembe proteinov. OBMD bomo uporabili tudi pri simulacijah molekule DNA v različnih solnih raztopinah. Preučili bomo, kako različne soli vplivajo na makromolekulo. DP3 bodo izvedli Petra Papež (KI), Ema Slejko (KI) in prof. dr. Matej Praprotnik (KI).

DP4:
Metodo Monte Carlo bomo uporabili za simuliranje pakirane molekule DNA. Uporabili bomo model oxDNA, tj. grobozrnati model, ki adekvatno opiše termodinamske, strukturne ter mehanske lastnosti enojne in dvojne vijačnice molekule DNA. Cilj DP4 je opisati sklopitev pahljačne deformacije in gostote v realnem sistemu ter s tem preveriti veljavnost tenzorskega ohranitvenega zakona. Iz rezultatov simulacij bomo izračunali tudi nekatere makroskopske lastnosti (npr. jakost sklopitve med pahljačno deformacijo in gostoto, elastične konstante, ipd.). DP5 bosta izvedla dr. Tilen Potisk (KI) in prof. dr. Matej Praprotnik (KI) v sodelovanju s skupino iz UL FMF.

Sestava projektne skupine:

• Matej Praprotnik
• Tilen Potisk
• Daniel Svenšek
• Jurij Sablić
• Jaka Sočan
• Amaury Coste
• Petra Papež
• Ema Slejko
• Aljaž Draškovič-Bračun
• Nikolaos Ntarakas

Raziskovalno podrocje

1.07 Računsko intenzivne metode in aplikacije

Obdobje trajanja projekta

1.10.2021-30.9.2024

Financiranje

Projekt financira ARRS.