Dynamical Temperature from the Phase Space Trajectory

In classical statistical mechanics the trajectory in phase space represents the propagation of a classical Hamiltonian system. While trajectories play a key role in chaotic system theory, exploitation of a single trajectory has yet to be considered. This work shows that for ergodic dynamical systems the dynamical temperature can be derived using phase space trajectories

A vízmolekula klasszikus modelljének alkalmazása = Application of the classical model of the water molecule

A pályázat alapvető célja az volt, hogy megalkossa azt a vízmodellt, amely a gázfázistól a nagynyomású jég módosulatokig elfogadható pontossággal írja le a víz viselkedését. Ezeknek a céloknak az eléréséhez szisztematikusan tanulmányoztuk több, mint egy tucat népszerű modell gázklasztereit, ennek alapján választottuk a 3 Gauss-felhővel modellezett töltéseloszlást. A negatív töltést egy klasszikus rúgó köti egyensúlyi helyéhez. Levezettük az Ewald összegzést a modellhez. Térerő-függő polarizációt vezettünk be, meghatároztuk a víz dielektromos állandóját és viselkedését külső terek esetén. Megmutattuk, hogy hogyan lehet modellezni a vizet úgy, hogy a számított tulajdonságok a klaszterektől a nagy nyomású jegekig korrektek legyenek. A program kódot számos eljárással felgyorsítottuk. Jelenleg a több node-on történő futtatáshoz szükséges párhuzamosítása folyik. Szerénytelenség nélkül elmondható, hogy jelenleg ez a legjobb klasszikus vízmodell az irodalomban. Gyorsabb, pontosabb és elegánsabb, mint a GROMOS és a CHARMM programcsomagokhoz írt polarizálható vízmodellek. Mindössze 2,6-szor lassabb, mint az egyik leggyakrabban használt nem polarizálható modell, a TIP4P! A munka sikerét jelzi, hogy a pályázó keynote előadási felkérést kapott a 32th Int. Conf. Solution Chemistry és előadást és elnökséget a 8th Liquid Matter Conf. rendezvényein. Továbbá publikációs felkérést a PCCP jég és víz különszámába. | The aim to develop a transferable model of water was achieved by the project. We started the systematic study with calculating the gas-phase clusters of different water models. We found that popular models where the negative charge is placed on the oxygen atom perform poorly. The inaccurate structures can be traced in the liquid phase as well. We developed a model where instead of the usual point charges we used Gaussian distributions in the charge-on spring approach. We derived the Ewald sum for the model. We showed how to calculate ice polymorphs under high-pressure. Introduced field-dependent polarization, calculated the dielectric constant and studied the model under the impact of static external electric field. We optimized the code to be fast enough for widespread usage. Now, we parallelize the code to be able to use several nodes simultaneously. We believe that this is the best classical polarizable model of water. It is faster and more elegant than the models developed for the CHARMM or GROMOS program packages. It is only 2.6 times slower than the popular nonpolarizable model of TIP4P. The success of the project is demonstrated that we received invitation to publish paper in the special water and ice issue of PCCP, received invitation to held keynote lecture at the 32th Conf. Sol. Chem., and a lecture at the 8th Liquid Matter Conf

Vizsgálatok a vízmolekula állapotjelző-független klasszikus modelljének fejlesztéséhez = Studies for the development of state-independent classical model of the water molecule

Megmutattuk, hogy minden eddigi modell hiányossága, hogy nem képes pontosan becsülni a nagy nyomású jég polimorfok belső energiáját. Az Ih jéghez viszonyítva pl. a hasonló hőmérsékletű jég VII energiája a kísérleti eredmények alapján csak kb. 4-6 kJ/móllal magasabb, szemben a modellszámítások által szolgáltatott 8-10KJ/mól különbséggel. Megmutattuk, hogy a folyadék-gőz egyensúly, a második viriálegyüttható, a gőznyomás, az olvadási hőmérséklet értékeinek becslését, a merev modellek nem képesek kielégítően megtenni. A jég kristályos módosulatai közül 9-ben a protonok pozíciója rendezetlen. A különféle konfigurációk kézenfekvő vizsgálata a kötésben lévő molekula dimerek orientációjának a statisztikája. Megállapítottuk, hogy a dimer elrendeződések a hibahatároknál nagyobb energiakülönbségeket eredményezhetnek, ami a jég fázisok relatív stabilitásánál nem elhanyagolható. Kifejlesztettünk egy új polarizálható modellt, amely számos tulajdonságot jól becsül. A nóvum a modellünkben az, hogy a polarizáció befolyásolja a molekula méretét. Ezzel a pályázat alapvető célját elértük. Kifejlesztettünk egy olyan új, egzakt izobár MD algoritmust, amely a nyomás kontrollt a sokkal egyszerűbb sztochasztikus módszert alkalmazásával éri el. A pályázat támogatásával születtek még munkák az inverz probléma megoldásával, illetve alkalmazásával kapcsolatosan. Túlnyomóan Tóth Gergely, illetve kisebb részben Pusztai László vezetésével. | We pointed out a shortage of every model developed so far that they are unable to predict the internal energy of the high pressure ices correctly. Relative to the Ih phase the internal energy of ice VII should be only 4-6kJ/mol higher according to experiments, instead of the 8-10 kJ/mol difference predicted by the models. We showed that in the cases of liquid-vapor equilibrium, second virial coefficient, and vapor pressure, and the melting temperature of the ice the models cannot give results close to the experimental ones. There are 9 polymorphs of ice showing hydrogen bond disorder. We studied this phenomenon with emphasis on the ice III - IX disordered- ordered pair. The distribution of H-bond connected molecule pairs is an important factor determining phase stability because the energy differences resulted by different distributions can be 1-0.01kJ/mol. We developed a novel interaction model for the water molecule. In addition to being polarizable, the size of the molecule increases with its dipole moment. The estimated properties agreed well with experimental results. This way we achieved the ultimate goal of this project. We developed a new, exact algorithm for isobar molecular dynamics simulation by stochastic pressure constraint. In addition to the results above, several works were carried out related to the inverse problem of liquids using the support of this project. These studies were carried out by G. Tóth and L. Pusztai

Classical interaction model for the water molecule

The authors propose a new classical model for the water molecule. The geometry of the molecule is built on the rigid TIP5P model and has the experimental gas phase dipole moment of water created by four equal point charges. The model preserves its rigidity but the size of the charges increases or decreases following the electric field created by the rest of the molecules. The polarization is expressed by an electric field dependent nonlinear polarization function. The increasing dipole of the molecule slightly increases the size of the water molecule expressed by the oxygen-centered parameter of the Lennard-Jones interaction. After refining the adjustable parameters, the authors performed Monte Carlo simulations to check the ability of the new model in the ice, liquid, and gas phases. They determined the density and internal energy of several ice polymorphs, liquid water, and gaseous water and calculated the heat capacity, the isothermal compressibility, the isobar heat expansion coefficients, and the dielectric constant of ambient water. They also determined the pair-correlation functions of ambient water and calculated the energy of the water dimer. The accuracy of theirs results was satisfactory

Tárolási folyamat során fellépő gyümölcsminőség változások modellezése = Modeling of variations in fruit quality during storage

A munka célja gyümölcs tárolása során fellépő minőségi változások mérésére módszer kidolgozása volt, továbbá összefüggés meghatározása az egyes jellemzők között, valamint feladat volt a tárolás során várható változások prediktív modellezése. Az alma tömegében és keménységében jelentős csökkenés következett be, a térfogat a tömeggel megközelítőleg arányosan csökkent a 28 napos tárolás során. Megállapítottuk, hogy az egyes egyedek relatív tömegcsökkenése a tárolási idő függvényében lineárisan változott. A felületi érdesség és az érdesség szórása exponenciális függvény szerinti növekedést mutatott a tárolási idő és a tömegcsökkenés függvényében. Az érdesség és annak szórása jelentősen megnőtt. Módszert dolgoztunk ki alma felületi érdességének számítógépes látórendszerrel történő meghatározására a képen detektált fekete/fehér felület aránya alapján. Összefüggést határoztunk meg a fekete/fehér viszony és a tömegveszteség között. Ez az összefüggés alkalmas a fekete/fehér viszony alapján a tömegcsökkenés becslésére. Mértük az alma felületének R-G-B színkomponenseit és megállapítottuk, hogy azok szórása nő a tárolási idő függvényében. Az almafelület NIR spektrumban felvett abszorbanciája csökkenő jelleget mutat az alma tömegének csökkenésével a tárolás során. A hiperspektrális képfeldolgozás eredményei alapján a sárgarépa szelet relatív tömegcsökkenése és a bevezetett spektrális paraméter közötti összefüggés alkalmas sárgarépa tárolása során fellépő tömegcsökkenés prediktív modellezésére. | The objective was to develop method for the measurement of apple quality characteristics and to determine relationship between the characteristics during storage and to predict the variations during storage. Considerable reduction was found in the mass and the firmness. However, only a slight reduction occurred in apple volume and density during the 28 day storage. There was a linear relationship between the mass reduction and the storage time. The increase of surface irregularities and that of the standard deviation of the irregularities in the function of the mass reduction showed exponential relationship. There was a considerable increase of surface irregularities and that of the standard deviation of the irregularities. Methods were developed to determine apple surface irregularities by the black to white area ratio of the apple surface. Relationship was determined between the black to white area ratio of the apple surface and the mass reduction and for the prediction of mass reduction during storage. The standard deviation of the R-G-B color components showed a definite increase in the function of storage time. The NIR spectrum of the apple surface showed a definite reduction in the absorbance in the function of the mass reduction. Hyperspectral imaging of carrot disks showed that the mass reduction of carrot and the spectral parameter are suitable for the prediction of the reduction in carrot mass during storage

Kiméria-technikák kidolgozása klónozás, hímesítés és genetikai manipulációk céljára = Elaboration of chimera techniques for cloning, masculinisation and gene manipulations

Célunk kiméra-előállítási technikák kidolgozása volt egér, nyúl és szarvasmarha embriókon. Az egér ES-sejtvonalak kiméra alkotó képességét leginkább az euploid sejtek aránya befolyásolta. FISH technikát alkalmazva kimutattuk az X- és Y-kromoszómákat euploid sejtekben, illetve hiányukat az X0 kariotípusú sejtekben. Nyúl 8-sejtes morulák egyetlen sejtjének felhasználásával négy termékeny kiméra utód, két XX/XX nőstény, egy XY/XY és egy XX/XY hím született. Az egyik nőstény és az XY/XY hím germinális kiméra volt. A nyúl ES-like sejt-kolóniákat 6-7 passzázsig fenntartottuk és kidolgoztuk a sejtjeik felhasználásához szükséges kiméra technikát. Sikerült kidolgozni a tetraploid nyúl embrió előállításához szükséges paramétereket. Az A-single spermatogóniumok sejtszuszpenzióban nem azonosíthatók és kis hányadban vannak jelen, így alkalmazásuk kiméra embriók előállítására további kutatást igényel. Hatékony in vitro szarvasmarha-embrió-tenyésztési rendszert dolgoztunk ki és sikerült létrehoznunk tetraploid szarvasmarha embriókat. A beültetett kontroll embriókból egy borjút született. 2005-ben a szex-determinációt vizsgáltuk egér kimérákon. Igazoltuk, hogy egyetlen XY blasztoméra bevitele is elégséges lehet az XX embriók nemének átfordításához és, hogy tetraploid gazda embrióval aggregáltatva egy nyolcsejtes embrió egyetlen blasztomerjéből is életképes utód születhet. Az általunk kidolgozott módszerrel előre meghatározott nemű, identikus hármas és kettes ikreket hoztunk létre. | Our goal was the elaboration of chimera techniques in mouse, rabbit and cattle embryos. Chimera producing ability of mouse ES-cell lines was most influenced by the proportion of euploid cells. We demonstrated the presence of X- and Y-chromosomes in euploid cells and their absence in X0 cells. Using individual blastomeres of 8-cell rabbit morulae four fertile chimera offspring, two XX/XX females, one XY/XY and one XX/XY male were born. One female and the XY/XY male were germinal chimeras. Rabbit ES-like colonies were sustained for 6-7 passages and we elaborated the chimera technique for using their cells. Most of the rabbit ES-chimera embryos did well develop and we elaborated the techniques of producing tetraploid rabbit embryos. A-single spermatogonia cannot be identified in suspension and their number is low, therefore their application in chimera making requires further research. We elaborated an effective bovine IVF system and produced tetraploid bovine embryos. From the transferred control embryos one calf was born. In 2005 we investigated the sex-determination in mouse chimeras in this year. We stated that a single introduced XY blastomere is capable to turn the sex of the XX embryos, and we got viable offspring from single blastomeres of 8-cell embryos by aggregating them with tetraploid host embryos. We produced an identical triplet and twins of pre-determined sex by the method elaborated by us

Tárolás során fellépő gyümölcsminőség változások modellezése = Modeling of variations in fruit quality during storage

Cél: a tárolás során fellépő gyümölcsminőség változások modellezése érdekében mérési és értékelési módszerek kidolgozása a gyümölcs tömegében, felületi érdességében, a színjellemzőiben, valamint keménységében bekövetkező változások megállapítására. Megállapítottuk a vizsgált alma felületi érdességének tárolás során bekövetkező változását. Adott tárolási feltételek mellett meghatároztuk a felületi érdesség szórását, a szórás relatív növekedését, az érdesség normált autokorreláció függvényét, a felületi érdesség normált autokorreláció függvénye első differenciál hányadosát és a felületi érdesség normált autokorreláció függvénye második differenciál hányadosát. Meghatároztuk továbbá az első differenciálhányados minimális értének a változását a tárolási idő függvényében. Mindezekből megállapítható volt az érdesség kezdeti lassú növekedését követő egyre fokozódó növekedés. Meghatároztuk azokat a domináns hullámhossz tartományokat, amelyekben spektrométerrel az alma nedvességtartalma, keménysége, oldható szilárdanyag tartalma, savtartalma és polifenol tartalma érintésmentesen meghatározható. Mérési módszert dolgoztunk ki sárgarépaszelet vágási felülete érdességének meghatározására. Megállapítottuk, hogy a vágási felület érdessége a sárgarépa frissességétől és a vágó szerszám élességétől függően 10 – 25 mikron között változik. Hiperspektrális képfeldolgozással és NIR analizátorral meghatároztuk sárgarépaszelet, valamint az alma felületi abszorbancia jellemzőit. | The objective of the work was to develop measurement and processing methods to determine the variations in the apple mass, surface irregularities, color and firmness during storage. The variations in the surface irregularities of the apple were determined during special storage conditions. The parameters determined were as follows: standard deviation, normalized autocorrelation function, first derivate and second derivate of the autocorrelation function for the surface irregularities. Therefore, the irregularities of the apple surface were found to increase in the function of the storage time. The dominant wave length values were found for apple moisture content, firmness, SSC., acid and polyphenol content by spectroscopic method. Measurement method was developed for the evaluation of the irregularities of the cutting surface of carrot disks. The irregularities of carrot disk surface were found to be in the 10 to 25 micron range depending on the sharpness of the cutting tool. The surface absorbance characteristics of carrot disks and apples were measured by hyperspectral imaging and by NIR analyzer and the dominant characteristics were found

Szupramolekuláris rendszerek fotofizikai és fotokémiai tulajdonságai = Photophisical and photochemical properties of supramolecular systems

Fotoaktív vegyületek (olyan anyagok, amelyek alkalmazása optikai tulajdonságain alapul) tulajdonságait tanulmányoztuk oldatfázisban és szupramolekuláris komplexekben, UV-látható abszorpciós, fluoreszcencia és CD spektroszkópiai mérésekkel, továbbá időfelbontásos lézerspektroszkópiai kísérletekkel. Az eredményeket több esetben kvantumkémiai számítások alapján értelmeztük. Kutatásaink eredményeként - új modellt állítottunk fel fluoreszkáló kationos festékek orientációs relaxációjára oldatban, - fluoreszcens próbaként alkalmazható vegyületek gerjesztett elektronállapotait vizsgálva tisztáztuk a dezaktíválódási folyamatok mechanizmusát, - jellemeztük fémionok optikai kimutatására szolgáló szupramolekuláris receptorok ionmegkötésének szelektivítását, és királis ligandumok megkötésére szolgáló szupramolekuláris receptorok enantioszelektivítását, - tanulmányoztuk kationos festékek megkötődését több kötéshelyű szupramolekuláris receptorokon, párhuzamos reakciókból álló reakció-modelleket állítottunk fel és kiszámítottuk az egyensúlyi állandókat, - meghatároztuk a fotodinamikus terápiában (PDT) potenciálisan hatóanyagként alkalmazható ftalocianinoknak a PDT-s hatás szempontjából érdekes fotofizikai/fotokémiai jellemzőit. | Photoactive compounds have been studied in solution and in supramolecular complexes by UV-VIS absorption, fluorescence and CD spectroscopy and by time-resolved laser spectroscopic experiments. The results have been interpreted with help of quantum chemical calculations. As results of the project - a new model has been created to describe the orientational relaxation of fluorescent cationic dyes, - the decay mechanism of the excited electronic states of some fluorescent probes has been clarified, - equilibrium constants characterizing the selectivity of new metal ion binding supramolecular receptors and the enantioselectivity of new chiral supramolecular receptors have been determined, - the binding of cationic dyes on supramolecular receptors with multiple binding sites has been studied, the results have been interpreted in terms of reaction models with simultaneous reactions, - the photophysical/photochemical characteristics of new phtalocyanines relevant of their application in photodynamic therapy, have been determined