Großskalige Event-Chain Monte-Carlo Simulationen für Biopolymer-Systeme

• Antragsteller: Dr. Tobias Alexander Kampmann
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398458812

Dieses Projekt zielt auf die Verallgemeinerung der kürzlich eingeführten Event-Chain Monte-Carlo Algorithmen, um diese bei verschiedenen Polymersystemen anzuwenden, z.B. dem Filamentsystem im Zytoskellett. Neben der Simulation von semiflexiblen Polymeren können auch Polymere aus unendlich dünnen Nadeln oder Polymersysteme mit expliziten Vernetzungs- und Verzweigungsproteine und sogar triangulierte, elastische Kapseln in einem allgemeinen, universellen Event-Chain-Framework simuliert werden. Wir erwarten gegenüber traditionellen Monte-Carlo-Methoden eine signifikante Effizienzsteigerung. Hier werden wir mit Prof. Krauth und Dr. Michel zusammenarbeiten.Als Vorbereitung der Simulation von Polymernetzwerken werden wir die Erzeugung von (fast) äquilibrierten, homogenen und isotropen Polymerschmelzen untersuchen, die als Startkonfiguration für alle weiteren Simulationen dienen soll. Gerade in dichten Systemen hat die Event-Chain-Methode bewiesen, verschiedene Systeme efffizient äquilibrieren zu können. Zusammen mit dem zuvor eingeführten optionalen Swap-Move sollte es möglich sein, die Solidifikation bzw. Kristallisierung einer Schmelze aus semiflexiblen Polymeren zu untersuchen.Unser Hauptaugenmerk liegt auf Polymer(bündel)netzwerken im thermischen Gleichgewicht, wobei eine anziehende Wechselwirkung zwischen Polymeren über ein generisches Kastenpotential, (explizit simulierte) Vernetzer oder über Verzweigungsproteine vermittelt wird. Ein Hauptziel des Antrags ist die Untersuchung der Selbstassemblierung solcher (Bündel-)Netzwerke sowohl in zwei, als auch in drei Dimensionen. Die Kollaboration mit Dr. Jörg Schnauß ermöglicht einen genauen Vergleich zwischen der Numerik und (minimalen) in-vitro Systemen. Im (quasi-) zwei-dimensionalen Fall entsteht ein Bündelnetzwerk mit schaumartigen Strukturen. In D=3 minimiert das Netzwerk die Gesamtbündellänge, wobei ein Schaum seine Gesamtfläche verringert, welche im Polymernetzwerk nicht eindeutig definiert ist.Im zweiten Teil des Antrags konzentrieren wir uns auf dichte, zwei- oder dreidimensionale kolloidale Systeme mit harten Nadeln oder Sphärozylindern als Beispiel für einen Flüssigkristall. Der Übergang von einer isotropen zu einer nematischen Phase ist in zwei Dimensionen (vermutlich) vom Kosterlitz-Thouless-Typ, wobei die (quasi-) nematische Phase nur quasi-langreichweitige Ordnung aufweist. Werden zusätzliche Kolloide in einen Flüssigkristall eingebracht, erzeugen diese topologische Defekte über zusätzliche Randbedingungen. Diese Defekte vermitteln eine Wechselwirkung zwischen den Kolloiden und könnten zu einer tetravalenten Chemie der Kolloide führen, welche die Möglichkeit einer (kontrollierten) Selbstorganisation impliziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Horst-Holger Boltz; Professor Dr. Jan Kierfeld; Professor Dr. Werner Krauth; Professor Dr. Josef Alfons Käs; Dr. Manon Michel; Dr. Jörg Schnauß