Origin of the Sub-diffusive Behavior and Crossover From a Sub-diffusive to a Super-diffusive Dynamics Near a Biological Surface

Diffusion of a tagged particle near a constraining biological surface is examined numerically by modeling the surface-water interaction by an effective potential. The effective potential is assumed to be given by an asymmetric double well constrained by a repulsive surface towards $r=0$ and unbound at large distances. The time and space dependent probability distribution $P(r,t)$ of the underlying Smoluchowski equation is solved by using Crank-Nicholson method. The mean square displacement shows a transition from sub-diffusive (exponent $\alpha \sim$ 0.43) to a super-diffusive (exponent $\alpha \sim$ 1.75) behavior with time and ultimately to a diffusive dynamics. The decay of self intermediate scattering function ($F_{s}(k,t)$) is non-exponential in general and shows a power law behavior at the intermediate time. Such features have been observed in several recent computer simulation studies on dynamics of water in protein and micellar hydration shell. The present analysis provides a simple microscopic explanation for the transition from the sub-diffusivity and super-diffusivity. {\em The super-diffusive behavior is due to escape from the well near the surface and the sub-diffusive behavior is due to return of quasi-free molecules to form the bound state again, after the initial escape}Comment: 5 pages including 5 figures and 1 table. Submitted to PhysChemCom

Re-entrant behavior of relaxation time with viscosity at varying composition in binary mixtures

In order to understand the long known anomalies in the composition dependence of diffusion and viscosity of binary mixtures, we introduce here two new models and carry out extensive molecular dynamic simulations. In these models, the two molecular species (A and B) have the same diameter and mass. In model I the inter-species interaction is more attractive than that between the pure components, while the reverse is true for model II. Simulations and also mode coupling theory calculations reveal that the models can capture a wide variety of behavior observed in experiments, most interesting among them are the non-monotonic variation of diffusion and viscosity with the composition and the re-entrant viscosity dependence of the relaxation time.Comment: 8 pages, 4 figures; submitted to Physical Review Letter

Electric field-induced directed assembly of diblock copolymers and grain boundary grooving in metal interconnects

Das Anlegen eines elektrischen Feldes an Materialien hat eine faszinierende Wirkung. Unterschiedliche Werkstoffklassen sind einem externen elektrischen Feld entweder als ein Teil der Verarbeitung oder aufgrund der alleinigen Applikation ausgesetzt. Wenn das elektrische Feld für die Verarbeitung verwendet wird, kann dieses die Mikrostruktur in Metallen, Legierungen, Keramiken und Polymeren verändern, wodurch die physikalischen Eigenschaften verändert werden. Alternativ können mehrere Einsatzmöglichkeiten wie beispielsweise der Einsatz in elektronischen Geräten dazu führen, dass Materialien als Komponenten verwendet werden, die täglich intensiven Stromstärken ausgesetzt sind. Eine ständige Verlagerung der Atome kann zu Fehlern im offenen Stromkreis führen, wodurch die Zuverlässigkeit des gesamten Geräts beeinträchtigt wird. Mit Hilfe der Phasenfeldmethode wird in der vorliegenden Dissertation jeweils ein Anwendungsfall untersucht, in dem das elektrische Feld entweder positive oder negative Folgen haben kann. Im ersten Teil der Arbeit wird ein diffuses Grenzflächenmodell entwickelt und für die Untersuchung der gerichteten Selbstorganisation von symmetrischen Diblock-Copolymeren verwendet, die gleichzeitig durch das elektrische Feld, die Substrataffinität und die Beschränkung beeinflusst werden. Es werden verschiedene beschränkende Geometrien untersucht und eine Reihe an Phasendiagrammen für unterschiedliche Schichtdicken charakterisiert, die das Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld und der Substratstärke zeigen. Zusätzlich zu der Ermittlung der vorhandenen parallelen, senkrechten und gemischten Lamellenphasen findet man, ähnlich wie bei den vorausgegangenen analytischen Berechnungen und experimentellen Beobachtungen, auch einen Bereich im Phasendiagramm, der einem Lamellenabstand der Größe eines halben Integrals entspricht, in dem hybride Morphologien wie Benetzungsschichten in der Nachbarschaft des Substrats koexistieren, die entweder Löcher in der Mitte der Schicht oder senkrechte zylinderförmige Bereiche aufweisen. Des Weiteren wird die Untersuchung auf drei Dimensionen erweitert, in denen die letztgenannte Morphologie als eine hexagonal perforierte (HPL) Lamellenphase charakterisiert wird. Erstmals wird gezeigt, dass durch ein elektrisches Feld ein Ordnungs-Ordnungs-übergang von einer Lamellenphase zu einer HPL-Phase hervorgerufen werden kann. Außerdem zeigt der kinetische Verlauf des Übergangs, dass es sich bei den perforierten Lamellen, die während des Übergangs von parallelen zu senkrechten Lamellen in Dünnschichten entstehen, um Zwischenstrukturen handelt. Im Folgenden werden verschiedene Beschädigungsarten erläutert, die aufgrund der Elektromigration (EM) in Nanoverbindungen durch die Rille der Korngrenze verursacht werden. Dazu wird ein einkomponentiges, polykristallines Phasenfeldmodell verwendet, das die Windstärke der Elektronen berücksichtigt. Das Modell und dessen numerische Umsetzung wird erst mit der scharfen Grenzflächentheorie von Mullins verglichen, bei der die thermische Rillenbildung durch Oberflächendiffusion vermittelt wird. Anschließend wird gezeigt, dass die Art der durch die fortschreitende Elektromigration verursachten Schädigung stark durch einen Fluss durch Grenzflächen beeinträchtigt werden kann, der aufgrund der Elektromigration stattfindet. Ein schneller atomarer Transport entlang der Oberfläche führt zu einer formerhaltenden Versetzung der Oberfläche, während der Schaden durch einen schnelleren atomaren Transport durch Grenzflächen in Form von interkristallinen Schlitzen mit einer formerhaltenden Spitze lokalisiert wird. Durch die Phasenfeldsimulationen wird die Funktion von krümmungs- und EM-induzierten heilenden Strömungen entlang der Oberfläche weiter hervorgehoben, die die Rille wieder auffüllen und die Schadensausbreitung verzögern. Erstmals wird ein numerisches Modell erweitert, um die räumlich-zeitliche Schadenseinleitung, die Ausbreitung, die Selbstheilung und die Kornvergröberung in dreidimensionalen Verbindungen zu untersuchen. Anschließend zeigt ein kritischer Vergleich der aus der scharfen Grenzflächenmethode und der Phasenfeldmethode gewonnenen Lösungen bezüglich der Rillenbildung, dass sowohl bei der Ermittlung der Rillenformen als auch beim Verlauf der Schadensart erhebliche Fehler entstehen können, wenn der durch die Elektromigration induzierte Oberflächenfluss in den Theorien der scharfen Grenzflächen nicht berücksichtigt wird. Zur Beseitigung der Diskrepanzen wird schließlich ein neues scharfes Grenzflächenmodell für finite Körner formuliert, das die zeitgleiche Kapillarwirkung und den durch die Elektromigration induzierten Oberflächen- und Grenzflächenfluss berücksichtigt. Die mit dem neuen Modell getroffenen Vorhersagen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Phasenfeldmodell. Durch die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wird die Durchführbarkeit und Anwendbarkeit der Phasenfeldmethode in Bezug auf die Erfassung der erforderlichen Physik des Problems und in Bezug auf die Bewältigung der mikrostrukturellen Entwicklung effizient und elegant in einem Phänomen verdeutlicht, das durch ein elektrisches Feld verursacht wird

Autobiographical Elements in Sons and Lovers

Lawrence had begun writing the novel Sons and Lovers as a tribute to his mother. The plot is firmly knit and the characters are well drawn. It contains some of Lawrence’s finest descriptions of life in the mining village. The first title given to it was ‘Paul Morel’. The novel is autobiographical, Paul Morel being Lawrence himself. However, whatever we receive in this novel is not pure autobiography but autobiography fictionalized. So, it is an adaptation from life and a work of art. Majority of the critics call this novel as ‘semi autobiographical’. Analyzing all the important events in the novel this article tries to find out all the autobiographical elements present in it by exploring the lives of all the major characters in the novel as well as of those real persons on whose life they are modeled on

Particles with selective wetting affect spinodal decomposition microstructures

We have used mesoscale simulations to study the effect of immobile particles on microstructure formation during spinodal decomposition in ternary mixtures such as polymer blends. Specifically, we have explored a regime of interparticle spacings (which are a few times the characteristic spinodal length scale) in which we might expect interesting new effects arising from interactions among wetting, spinodal decomposition and coarsening. In this paper, we report three new effects for systems in which the particle phase has a strong preference for being wetted by one of the components (say, A). In the presence of particles, microstructures are not bicontinuous in a symmetric mixture. An asymmetric mixture, on the other hand, first forms a non-bicontinuous microstructure which then evolves into a bicontinuous one at intermediate times. Moreover, while wetting of the particle phase by the preferred component (A) creates alternating A-rich and B-rich layers around the particles, curvature-driven coarsening leads to shrinking and disappearance of the first A-rich layer, leaving a layer of the non-preferred component in contact with the particle. At late simulation times, domains of the matrix components coarsen following the Lifshitz-Slyozov-Wagner law, $R_1(t) \sim t^{1/3}$.Comment: Accepted for publication in PCCP on 24th May 201

Contact pair dynamics during folding of two small proteins: chicken villin head piece and the Alzheimer protein β-amyloid

The folding of an extended protein to its unique native state requires establishment of specific, predetermined, often distant, contacts between amino acid residue pairs. The dynamics of contact pair formation between various hydrophobic residues during folding of two different small proteins, the chicken villin head piece (HP-36) and the Alzheimer protein β-amyloid (βA-40), are investigated by Brownian dynamics (BD) simulations. These two proteins represent two very different classes-HP-36 being globular while βA-40 is nonglobular, stringlike. Hydropathy scale and nonlocal helix propensity of amino acids are used to model the complex interaction potential among the various amino acid residues. The minimalistic model we use here employs a connected backbone chain of atoms of equal size while an amino acid is attached to each backbone atom as an additional atom of differing sizes and interaction parameters, determined by the characteristics of each amino acid. Even for such simple models, we find that the low-energy structures obtained by BD simulations of both the model proteins mimic the native state of the real protein rather well, with a best root-mean-square deviation of 4.5 Å for HP-36. For βA-40 (where a single well-defined structure is not available), the simulated structures resemble the reported ensemble rather well, with the well-known β-bend correctly reproduced. We introduce and calculate a contact pair distance time correlation function, CijP(t), to quantify the dynamical evolution of the pair contact formation between the amino acid residue pairs i and j. The contact pair time correlation function exhibits multistage dynamics, including a two stage fast collapse, followed by a slow (microsecond long) late stage dynamics for several specific pairs. The slow late stage dynamics is in accordance with the findings of Sali et al. [A. Sali, E. Shakhnovich, and M. Karplus, Nature 369, 248 (1994)]. Analysis of the individual trajectories shows that the slow decay is due to the attempt of the protein to form energetically more favorable pair contacts to replace the less favorable ones. This late stage contact formation is a highly cooperative process, involving participation of several pairs and thus entropically unfavorable and expected to face a large free energy barrier. This is because any new pair contact formation among hydrophobic pairs will require breaking of several contacts, before the favorable ones can be formed. This aspect of protein folding dynamics is similar to relaxation in glassy liquids, where also a relaxation requires highly cooperative process of hopping. The present analysis suggests that waiting time for the necessary pair contact formation may obey the Poissonian distribution. We also study the dynamics of Forster energy transfer during folding between two tagged amino acid pairs. This dynamics can be studied by fluorescence resonance energy transfer (FRET). It is found that suitably placed donor-acceptor pairs can capture the slow dynamics during folding. The dynamics probed by FRET is predicted to be nonexponential