Submicron plasticity: yield stress, dislocation avalanches, and velocity distribution

The existence of a well defined yield stress, where a macroscopic piece of crystal begins to plastically flow, has been one of the basic observations of materials science. In contrast to macroscopic samples, in micro- and nanocrystals the strain accumulates in distinct, unpredictable bursts, which makes controlled plastic forming rather difficult. Here we study by simulation, in two and three dimensions, plastic deformation of submicron objects under increasing stress. We show that, while the stress-strain relation of individual samples exhibits jumps, its average and mean deviation still specify a well-defined critical stress, which we identify with the jamming-flowing transition. The statistical background of this phenomenon is analyzed through the velocity distribution of short dislocation segments, revealing a universal cubic decay and an appearance of a shoulder due to dislocation avalanches. Our results can help to understand the jamming-flowing transition exhibited by a series of various physical systems.Comment: 5 page

Characterization of the Proton-Transporting Photocycle of Pharaonis Halorhodopsin

AbstractThe photocycle of pharaonis halorhodopsin was investigated in the presence of 100mM NaN3 and 1M Na2SO4. Recent observations established that the replacement of the chloride ion with azide transforms the photocycle from a chloride-transporting one into a proton-transporting one. Kinetic analysis proves that the photocycle is very similar to that of bacteriorhodopsin. After K and L, intermediate M appears, which is missing from the chloride-transporting photocycle. In this intermediate the retinal Schiff base deprotonates. The rise of M in halorhodopsin is in the microsecond range, but occurs later than in bacteriorhodopsin, and its decay is more accentuated multiphasic. Intermediate N cannot be detected, but a large amount of O accumulates. The multiphasic character of the last step of the photocycle could be explained by the existence of a HR′ state, as in the chloride photocycle. Upon replacement of chloride ion with azide, the fast electric signal changes its sign from positive to negative, and becomes similar to that detected in bacteriorhodopsin. The photocycle is enthalpy-driven, as is the chloride photocycle of halorhodopsin. These observations suggest that, while the basic charge translocation steps become identical to those in bacteriorhodopsin, the storage and utilization of energy during the photocycle remains unchanged by exchanging chloride with azide

Nemlineáris optika és spektroszkópia a THz (távoli infravörös) tartományon = Nonlinear optics and spectroscopy on the THz (far-infrared) range

Felépítettük az első magyarországi THz-es laboratóriumot. Ez egy nem OTKA forrásból vásárolt, 1 mJ energiájú impulzusok 1 kHz-el történő előállítására alkalmas diódapumpált szilárdtest lézeren alapul. Ezeknek az impulzusoknak az optikai egyenirányításával nagyobb, mint 0.5 mikroJ energiájú egyciklusú THz-es impulzusokat állítunk elő. Ezekkel nemcsak lineáris időbeli terahertzes spektroszkópiai (TDTS) méréseket, hanem nemlineáris TDTS méréseket is tudunk végezni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy a korábban használtnál hosszabb pumpáló lézerimpulzusokkal (jelentősen nagyobb hatásfokkal) jelentősen nagyobb THz-es impulzusenergiák érhetők el. Ezt az elméleti eredményt kísérletileg bizonyítottuk, 125 mikroJ (világrekord) energiájú THz-es impulzusokat állítottunk elő. A modellszámítások szerint a kristály hűtése további jelentős energianövekedést fog eredményezni. Megterveztünk egy kontaktrácsos elrendezést, amellyel több mJ energiájú THz-es impulzusokat lehet majd előállítani. Ezek fókuszálásával várhatóan 100 MV/cm térerősséget is el lehet majd érni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy több 10 MV/cm maximális térerősségű THz-es impulzusokkal többszázszorosan meg lehet növelni a magas-harmonikus keltés hatásfokát a levágási frekvencia közelében, el lehet érni, hogy csak egy attoszekundumos impulzus keletkezzen pumpáló ciklusonként, 100 fs hosszú 10 fC töltésű relativisztikus elektroncsomagot össze lehet nyomni 100 as-ra. | The first Hungarian THz laboratory has been built up. It is based on a DPSS pump laser with 1 mJ pulse energy and 1 kHz repetition rate (purchased from non-OTKA funding). By OR of these pump pulses, single-cycle THz pulses with larger than 0.5 ?J energy have been generated. These THz pulses can also be used to nonlinear time-domain THz spectroscopy (TDTS) measurements, besides linear TDTS measurements. We have shown by model calculations that by using pump pulses with pulse duration longer than used previously, the THz pulse energy can be significantly increased with a simultaneous increase of the THz generation efficiency. This theoretical prediction has been experimentally verified. We have generated THz pulses with the highest so far 125 ?J energy. Our calculations predict additional substantial increase in the THz energy by cooling the nonlinear crystal. A contact grating setup has been designed, which will enable the generation of THz pulses with multi-mJ energy. 100 MV/cm peak electric field is expected by focusing these THz pulses. We have shown by model calculations that the efficiency of high-order harmonic generation in the cut-off region can be increased several 100 times by using THz pulses with multi-10-MV/cm peak electric field. Also, in such a THz-assisted scheme, single attosecond pulses can be generated in each optical cycle of the driving field. 100 fs long relativistic electron bunches with 10 fC charge can be compressed to 100 as

Membrán fehérjék szerkezete és működése közti kapcsolat vizsgálata = The study of the connection between the structure and function of membrane proteins

A 2005 januárjában kezdődőtt négy éves OTKA támogatással a membrán fehérjék szerkezete és működése közti kapcsolatok tisztázására folytatott kutatás két fő irányba haladt. Az egyik a membrán fehérjék és itt főleg a fényhajtotta retinál fehérjék működésével kapcsolatos kutatásokra összpontosított. Ennek során nemcsak a jól ismert retinál fehérjék a bakteriorodopszin, vagy halorodopszin, hanem újonnan felfedezett fehérjék, mint például a xantorodopsin és leptospheria rodopszin működését is tanulmányoztuk, abszorpciókinetikai mérésekkel. A retinál fehérjék kutatásával kapcsolatosan, az OTKA pályázat támogatásával, nyolc cikket közöltünk. Hasonló kinetikai méréseket végeztünk fotoszintetikus rekciócentrumok és szén nanocsövek keverékén, ami ígéretes biotechnologiai anyagnak bizonyúl. A reakciócentrumokkal kapcsolatban két OTKA támogatta cikkünk jelent meg A másik fő kutatási irány a fehérjék, membránok és élő sejtek morfológiai és mechanikai vizsgálata atomerő mikroszkóppal. Természetes és mesterséges membránokon is végeztünk méréseket. Amíg különböző letapogatási technikákkal nagyfelbontású képet alkottunk a tanulmányozott objektumok felszínéről, addig erőméréssel sikerült meghatározni a tanulmányozott minta Young moduluszát és ennek a változását különböző külső körülmények között. Egy teljesen új technikát dolgoztunk ki retinál fehérjék konformációváltozásának atomerőmikroszkópos megfigyelésére. Az elmúlt négy évben ezekkel a mérésekkel kapcsolatban nyolc OTKA által támogatott cikkelt közöltünk. | Beginning in 2005 the four years OTKA supported study of the relation between the structure and function of membrane proteins was conducted in two main directions. One research direction concentrates on the function of the membrane proteins and mainly on the function of the light activated retinal proteins. In this study not only the well known bacteriorhodopsin and halorhodopsin, but some newly discovered proteins, such as the xantorhodopsin and leptospheria rhodopsin were studied by absorption kinetic measurements. Related to this research, eight papers supported by the OTKA were published. Similar kinetic measurements were performed on the mixture of photosynthetic reaction centers and carbon nanotubes. This material is considered as a promising biotechnological material. The results of the reaction center research were published in two OTKA supported papers. The second main research direction was the morphological and mechanical study of the proteins, membranes and living cells by atomic force microscopy. We performed measurements on both artificial and natural membranes. With different scanning techniques high resolution images of the studied object surface were recorded. With force measurement it was possible to determine the Young?s module of the sample and its dependence from the external conditions. A new technique was developed to study the conformational change of the retinal proteins with the atomic force microscope. During the OTKA supported four years, related to this field, eight papers were published

Kinetics of Light-Induced Intramolecular Energy Transfer in Different Conformational States of NADH

When bound to a protein, the coenzyme NAD+/NADH typically exists in an extended conformation, while in aqueous solutions it can be characterized by an equilibrium of folded and unfolded structures. It was recognized long ago that in the folded conformation light absorption at the adenine ring initiates an effective energy transfer (ET) toward the nicotinamide group, but the mechanism of this process is still unexplored. Here we apply ultrafast transient absorption measurements on NADH combined with compartmental model analysis for following the kinetics of the ET. We find that the actual ET is extremely rapid (similar to 70 fs). The high rate can be well described by a Forster-type mechanism, promoted by both.the special photophysical properties of adenine and the subnanometer inter-ring distance. The rapid ET creates a vibrationally hot excited state on nicotinamide, the vibrational and electronic relaxation of which is characterized by 1.7 and 650 ps, respectively

Machine-learning model selection and parameter estimation from kinetic data of complex first-order reaction systems

Dealing with a system of first-order reactions is a recurrent issue in chemometrics, especially in the analysis of data obtained by spectroscopic methods applied on complex biological systems. We argue that global multiexponential fitting, the still common way to solve such problems, has serious weaknesses compared to contemporary methods of sparse modeling. Combining the advantages of group lasso and elastic net—the statistical methods proven to be very powerful in other areas—we created an optimization problem tunable from very sparse to very dense distribution over a large pre-defined grid of time constants, fitting both simulated and experimental multiwavelength spectroscopic data with high computational efficiency. We found that the optimal values of the tuning hyperparameters can be selected by a machine-learning algorithm based on a Bayesian optimization procedure, utilizing widely used or novel versions of cross-validation. The derived algorithm accurately recovered the true sparse kinetic parameters of an extremely complex simulated model of the bacteriorhodopsin photocycle, as well as the wide peak of hypothetical distributed kinetics in the presence of different noise levels. It also performed well in the analysis of the ultrafast experimental fluorescence kinetics data detected on the coenzyme FAD in a very wide logarithmic time window. We conclude that the primary application of the presented algorithms—implemented in available software—covers a wide area of studies on light-induced physical, chemical, and biological processes carried out with different spectroscopic methods. The demand for this kind of analysis is expected to soar due to the emerging ultrafast multidimensional infrared and electronic spectroscopic techniques that provide very large and complex datasets. In addition, simulations based on our methods could help in designing the technical parameters of future experiments for the verification of particular hypothetical models

Ultragyors lineáris és nemlineáris optikai folyamatok makromolekulákon = Ultrafast linear and nonlinear optical processes on macromolecules

Mérőrendszerünkhöz új tükörkészletet és diszperzió szabályozó egységet fejlesztettünk ki, széles hullámhossz tartományban lehetővé téve (akár 40 fs-nál rövidebb) stabil fényimpulzusok keltését. Félvezető alapú telítődő abszorbens (SESAM) mintákon meghatároztuk a a fs-ps időtartományba eső tranziens abszorpció időállandóit. A kinetikai adatok kiértékelésére kidolgoztunk egy modellfüggetlen, nemparametrikus dekonvolúciós eljárást. Fotoszinetikus fénybegyűjtő komplexeken jellemeztük a fénykárosodást kivédő hődisszipáció ps-os kinetikáját. A fényenergia hasznosító bakteriorodopszin (bR) fehérjéből készített natív és módosított szárított mintákon megállapítottuk a gerjesztett állapot valamint az ultragyors intermedierek abszorpciókinetikai paramétereit. 10 fs időfelbontású koherens infravörös emissziós kísérletek alapján jellemeztük a bR retinál kromofórjának gerjesztése során létrejövő dipólmomentum változást, és az azt követő koherens vibrációs folyamatokat. Elsőként mutattuk ki és jellemeztük a bR mintából származó terahertzes emisszó jelenségét, megállapítva, hogy az részben a retinál molekula gerjesztett állapotú elektronmozgásából, részben pedig - a feltehetően ez által keltett - kezdeti funkcionális protonmozgásból származik. Kidolgoztunk egy kvantumelektrodinamikai leírást, melynek keretében a retinál gerjesztése során fellépő másodrendű optikai folyamatok egységesen tárgyalhatók. | A new mirror set and a dispersion control unit was developed for our measuring system, making possible to generate stable light pulses (of even shorter than 40 fs) in a wide range of wavelength. The fs-ps transient absorption time-constants of semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) samples were determined. A model-independent nonparametric deconvolution procedure was elaborated for the analysis of the kinetic data. Photosynthetic light-harvesting complexes were characterized by their ps kinetics of heat dissipation process, protecting them from light-induced damages. The absorption kinetic parameters describing the excited state and the ultrafast intermediers in native and modified dried samples of bacteriorhodopsin (bR) protein - utilizing light energy - were determined. By coherent infrared emission experiments the dipole moment change upon the excitation of the retinal chromophore of bR, as well as the subsequent coherent vibration processes were characterized. The phenomenon of terahertz emission from a bR sample was demonstrated and characterized for the first time, showing that it originates both from the excited-state electron motion of the retinal molecule and the functional early proton movement, probably generated by the former process. A theoretical description was derived from quantum electrodynamics for a unified description of the second order optical processes occurring on the excitation of retinal