Investigation on the surface tension of water nanodroplet using molecular dynamics simulations

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 물리·천문학부,2019. 8. 제원호.표면 장력은 대기 중의 액체 방울의 응축 혹은 증발과 같은 상전이 현상을 결정짓는다. 그중에서도 1 나노미터 크기의 결정 핵에 대한 이해는 이 영역 대에 서 생성되는 응축 에너지 장벽이 안정적인 액체 방울의 성장을 보장하기 때문에 특별히 중요성을 가진다. 그동안 나노물방울의 응축 실험 및 몬테 카를로 시뮬 레이션, 분자 동역학 시뮬레이션, 밀도 범함수 이론 등의 방법을 통해 많은 관련 연구가 수행되었지만, 결과들을 종합해 보았을 때 여전히 나노물방울의 표면장 력이 평평한 표면의 장력보다 큰지, 작은지, 혹은 변화가 없는지에 대한 명확한 이해가 불충분하다. 나노물방울이 수십 혹은 수백 개의 물분자로 이루어져 있다 는 사실을 고려할 때 정확한 연구를 위해서는 단일 분자 수준의 정보를 줄 수 있는 방법을 이용하여야 한다. 본 연구에서는 (1) 분자 동역학 시뮬레이션과 그로부터 유도한 압력 텐서를 이용하여 최소 0.6 nm의 크기를 가진 작은 나노물방울의 표면 장력을 구하였다. 분자 동역학은 시스템 내부의 개개의 분자의 상호작용을 고려하기 때문에 이러한 작은 시스템을 다루는 데 적합하다. 결과로부터 나노물방울의 크기가 1 nm 보다 작을 경우 표면 장력의 크기가 작아지기 시작해서 평평한 표면의 표면장력의 80 퍼센트까지 감소하는 것을 확인하였다. (2) 분자 동역학 결과로부터 톨만 길이의 관계식을 구하고 이를 이용하여 나노물방울의 표면장력의 변화를 정확히 설명 하는 표면 장력 식을 유도하였다. 이는 기존의 표면장력에 관한 식, 특히 톨만의 방정식이 왜 1 nm 미만 크기의 물방울을 설명하지 못하는지를 설명해준다. 또한 분자 동역학 시뮬레이션 뿐만 아니라 밀도함수 이론을 이용하여 이러한 주장이 넓은 범위의 온도에 대해서 유효함을 보였다. 물 분자의 열역학적 성질에 관한 추 가적 분석은 이러한 표면장력의 특징이 물방울 표면에 분포하는 표면 물 분자들의 자유에너지의 증가 때문이라는 사실을 보여준다. 나노물방울의 표면 장력에 관한 연구는 나노물방울 표면의 수소결합 네트 워크가 느슨해지는 것 때문에 표면 장력이 감소한다는 것을 보여준다. 액체-기체 표면에서 일어나는 분자의 흡착이 표면의 수소결합을 교란시키며 일어난다는 사 실을 고려해 볼 때, 이러한 결과는 나노물방울과 다른 분자간의 상호작용에 관한 연구가 기존의 거시적인 표면에서 볼 수 없었던 새로운 결과를 줄 것이라고 시 사한다. 추후에 수행될 이러한 연구 주제들을 통해 순수한 나노물방울 연구가 에어로졸 혹은 미세 먼지 관련 분야에 응용될 수 있는 가능성을 타진해 보려고 한다.Surface tension controls ubiquitous phase transition phenomena such as condensation or evaporation of atmospheric liquid droplet. Especially, understanding of curved interface of critical nucleus, whose size is about 1 nm, is at the center of attention for overcoming nucleation energy barrier. Even a number of studies from the grand canonical Monte Carlo simulation, molecular dynamics simulation, density functional theory and to the nucleation experiments have been carried out, there is an insufficient understanding of whether the surface tension of nanodroplet is larger, smaller, or unchanged than the surface tension of macroscopic droplet. For accurate study, it is necessary to use methods which can give information of indivisual molecule because a single nanodroplet containes only tens or hundreds of molecules. In this study, (1) the surface tension of small nanodroplets with a minimum size of 0.6 nm is obtained by using molecular dynamics simulations and pressure tensors derived from them. Molecular dynamics is suitable method for studying such small systems because it considers the interaction of individual molecules and their trajectories. From the results, it is confirmed that when the nanodroplet size is smaller than 1 nm, the surface tension begins to decrease in size and decreases to 80 % of the flat surface tension. (2) From the molecular dynamics results, we study the Tolman length and derive the accurate surface tension equation. This equation also explains why the previous surface tension equation, in particular Tolman's equation, cannot describe the droplet of less than 1 nm. This argument is confirmed with density functional theory of classical liquid at broad range of temperature. An additional analysis of the thermodynamic properties of water molecules shows that this feature of surface tension is due to the increase in the free energy of surface water molecules of the water droplet. The surface tension study of nanodroplets exhibits that the interface of water nanodroplets has loosely connected hydrogen bond network, which attributes to the decreasing surface tension in nanoscale. Considering that the adsorption of molecules on the water-vapor interface can be achieved by disrupting water's hydrogen bonds, this observation suggests that the interaction between nanodroplet and other molecules can give results unpredicted in macroscopic scale. This future projects may extend applicability of the pure water nanodroplet to the studies of the aerosols or fine dusts.Contents Abstract i List of Figures vii Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Theoretical Overview 8 2.1 Introduction............................. 8 2.2 Surface tension ........................... 8 2.3 Simulation methods for obtaining the surface tension . . . . . . 11 2.4 Thermodynamics of curved interfaces . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4.1 The Young-Laplace equation................ 13 2.5 Curvature corrections to the surface tension . . . . . . . . . . . 14 2.5.1 Derivation of Tolmans equation . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 Simulation of water nanodroplet.................. 17 2.7 Conclusion.............................. 18 Chapter 3 Molecular Dynamics Simulation 22 3.1 Introduction............................. 22 3.2 Governing equation......................... 23 3.3 Integration of the equations of motion . . . . . . . . . . . . . . 23 3.4 Force fields ............................. 25 3.5 Periodic boundary conditions ................... 27 3.6 Temperature control ........................ 28 3.7 Water models ............................ 30 3.8 Conclusion.............................. 31 Chapter 4 Surface Tension of Water Nanodroplet using Molecular Dynamics Simulation 37 4.1 Introduction............................. 37 4.2 Preparation of system ....................... 39 4.3 Surface tension of water nanodroplet . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Pressure tensor of spherical system . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Surface tension ....................... 43 4.4 Equation of surface tension..................... 46 4.4.1 Tolman length........................ 47 4.4.2 Derivation of equation of surface tension . . . . . . . . . 49 4.4.3 Comparison with other results............... 50 4.5 Origin of variation of Tolman length ............... 52 4.5.1 Comparison between Re and Rs .............. 52 4.5.2 Thermodynamics of water nanodroplet . . . . . . . . . . 55 4.5.3 Dynamics of water nanodroplet .............. 59 4.6 Conclusion.............................. 64 Chapter 5 Surface Tension of Liquid Nanodroplet using Density Functional Theory 68 5.1 Introduction............................. 68 5.2 Density functional theory of liquid................. 69 5.3 Preparation of the system ..................... 70 5.4 Tolman length and surface tension of liquid nanodroplets . . . . 71 5.5 Conclusion.............................. 75 Chapter 6 Conclusion 78 초록 81Docto

Effect of dehydroepiandrosterone on the oxidative stress of the bone with type I and type II osteoporosis in rat

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :의학과 생화학전공,1998.Docto

유방암 모델에서 프탈로시아닌 나노 복합체를 통한 광역학치료와 면역항암치료의 병합요법

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 의과대학 협동과정 종양생물학전공, 2021. 2. 이동섭.Immune checkpoint blockade (ICB) therapies, such as anti-programmed death 1 (PD-1) or its ligand, PD-1 ligand (PD-L1), has revolutionized the oncology by effectively blocking the inhibitory signals of tumor-infiltrated T cells, thereby allowing tumor-specific T cell expansion and their enhanced activation. However, the effect is weak for tumors that lack cancer antigens and do not sufficiently induce immune responses. Thus, photodynamic therapy (PDT) has been combined as immunomodulatory adjuvants to augment ICB. PDT is treatment using a photosensitizerf activated in a specific wavelength, which produces high concentrations of reactive oxygen species (ROS) from photosensitizer accumulated in the tumor tissue by directly irradiating the tumor site. This is a very effective way to remove tumors because it can cause immunogenic cell death (ICD) in cancer cells. However, most of the photosensitizer used in PDT are limited in clinical due to a lack of functionality. In this study, I investigated the PDT effect of SiPcN2O2-BSA, a tumor specific photosensitizer, on tumor suppression/regression. Moreover, I validated the effect of combination therapy using PDT and anti-PD-1 antibody. In the triple negative breast cancer model, SiPcN2O2-BSA alone did not bring a tremendous effect on tumor suppression, However, the expansion of T cell and PD-1, TIM3 positive CD8+ T cells suggested the possibility of PD-1/PD-L1 pathway intervention upon SiPcN2O2-BSA. Interestingly, the combination of PDT and ICB almost completely eradicated sizable primary tumors. Not only that, an enhanced abscopal effect was achieved in the delayed primary tumor (tumor that is distant from the primary tumor). These findings thus suggest a new paradigm of combination therapy that effectively inhibits tumor growth through enhanced systemic T cell response.PD-1/PD-L1 항체와 같은 면역관문억제제 (ICB)는 종양 내로 침투한 T 세포의 억제 신호를 차단함으로써 암 특이적인 T 세포의 증식과 활성을 유도해 종양을 치료하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 암 항원이 부족하여 면역 유발성이 낮은 종양에 대해서는 그 효과가 미미하다. 따라서 면역 조절의 보조제로서 항암 치료의 효과를 증가시키기 위해 광역학 치료 (PDT)가 병행되어왔다. 광역학 치료는 특정 파장대에서 활성화되는 광과민제를 이용한 치료법으로, 종양 부위에 직접 광을 조사함으로써, 종양부위로 축적된 광과민제로부터 고농도의 활성산소를 발생시킨다. 이는 암세포의 면역원성 세포 사멸을 유발할 수 있기 때문에 종양제거에 매우 효과적인 방법이다. 그러나 광역학 치료에 사용되는 대부분 광과민제는 종양 전달 기능성의 부족으로 인해 임상 이용에 제한을 겪고 있다. 본 연구에서는 약산성의 종양 미세환경에서 활성화되는 종양 선택적 광과민제인 SiPcN2O2-BSA를 통해 광역학치료가 종양 억제에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 이와 더불어 광역학치료와 anti-PD-1 항체를 사용한 면역항암치료와의 병용효과를 확인하고자 했다. 삼중 음성 유방암 모델에서 SiPcN2O2-BSA를 통한 광역학치료는 종양 크기를 일부 축소시켰고, 상당히 증폭된 T 세포의 종양 내 유입과 특히, CD8+ T 세포 PD-1, TIM3의 발현 증가라는 결과를 통해 PD-1/PD-L1 경로차단으로 인한 종양 퇴행의 가능성을 제시했다. 흥미롭게도, 광역학치료와 PD-1 항체를 통한 병합치료는 삼중 음성 유방암 모델에서의 원발성 종양을 의미 있는 수준으로 억제했다. 또한 1차 원발성 종양뿐 아니라 이와 떨어진 2차 원발성 종양 모두에서 향상된 abscoapl effect를 확인하였다. 결론적으로, PDT와 면역관문억제제의 병합은 전신적인 T cell 세포 반응 향상을 통해 효과적으로 종양을 억제시키는 새로운 병합치료로서의 가능성을 제시하였다.Abstract in English. ⅰ Contents ⅵ Introduction 1 Materials and Methods 8 Results 13 Discussion 54 References 58 Abstract in Korean. 68Maste

흰쥐에서 난소 적출술 후 유발된 골다공증에서의 dehydroepiandrosterone의 작용 기전 및 효과

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :의학과 생화학전공,1996.Maste