MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31995853
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a660
■1001  ▼aLiu,  Luofu.
■24512▼aA  Theoretical  Approach  to  Trap  Macromolecules
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  California,  Berkeley▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a101  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Wang,  Rui.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Berkeley,  2025.
■520    ▼aThe  control  and  manipulation  of  nanoparticles  and  macromolecules  is  fundamental  to  the  investigation  of  their  structures,  interactions,  and  kinetic  pathways.  While  a  variety  of  methods  have  been  developed  in  experiments  and  computer  simulations  to  trap  molecules/particles,  it  remains  a  great  challenge  in  polymer  theory  to  realize  a  robust  control  of  macromolecules.  Conventional  boundary-condition  restrictions  in  self-consistent  field  theory  (SCFT)  calculations  fails  to  restrain  the  conformational  fluctuations  of  coil  polymers  and  lead  to  nonphysical  results.  Existing  theoretical  methods  to  capture  the  fluctuation  effects  suffer  from  certain  drawbacks:  they  either  impose  bias  on  the  confined  monomer  or  rely  on  the  distribution  of  the  confined  polymer  as  a  Gaussian  chain.  A  systematic,  adaptive,  and  versatile  theory  addressing  these  limitations  is  crucial  for  studying  the  fundamental  properties  of  macromolecules  under  different  conditions  like  sequence,  solvent,  charge  and  salt.  Inspired  by  the  trapping  approaches  developed  in  experiments  and  simulations,  in  this  dissertation,  we  present  a  Gaussian  variational  field-theoretical  approach  to  control  the  center-of-mass  (c.m.)  of  macromolecules.  The  theory  self-consistently  introduces  a  mean  force  that  controls  the  average  position  of  c.m.  and,  more  importantly,  a  self-adjustable  harmonic  potential  that  counters  the  fluctuation  of  c.m.  position.  The  latter  makes  it  applicable  to  coil  polymers,  like  neutral  polymers  in  θ  and  good  solvents  and  polyelectrolytes  experiencing  strong  charge  repulsions.  Our  approach  makes  significant  improvements  over  the  existing  methods.  The  field-theoretical  nature  of  our  approach  facilitates  the  generalization  to  macromolecules  with  various  chain  architectures,  copolymer  compositions  and  charge  patterns.To  validate  the  effectiveness  of  our  theory,  we  first  apply  it  to  the  classical,  yet  not  fully  understood  problems  of  polymer  single-chain  conformation  and  inter-chain  interaction  in  the  whole  regime  of  solvent  quality.  For  a  neutral  polymer,  the  complete  picture  of  swollen  coil-ideal  coil-globule  transition  as  solvent  quality  changes  from  good  to  θ,  and  to  poor  is  captured.  Our  results  confirm  the  classical  concept  of  "thermal  blob"  in  polymer  science  and  provides  a  straightforward  way  to  characterize  its  actual  size.  For  polyelectrolytes,  we  observe  the  full  scenario  of  globule-pearl  necklace-extended  coil  transition  as  charge  repulsion  increases.  For  inter-chain  interaction  between  two  polymer  chains,  we  capture  the  change  from  pure  repulsion  in  good  solvents  to  pure  attraction  in  poor  solvents,  passing  an  intermediate  state  of  short-range  repulsion  and  long-range  attraction.  Our  predictions  are  in  good  agreement  with  experiments  in  different  aspects  like  scaling  exponents  and  radius-of-gyration  data.To  manifest  the  versatility  of  the  variational  approach,  we  further  study  two  biologically  relevant  problems:  mechanisms  for  vesicle  fission/fusion  and  the  regulation  of  proteins  on  stability  of  biomolecular  condensates.  The  kinetic  pathway  and  the  mechanical  response  during  vesicle  fission/fusion  can  be  simultaneously  captured.  By  taking  vesicles  formed  by  polyelectrolytes  as  a  model  system,  we  predict  discontinuous  transitions  between  the  three  morphologies:  parent  vesicle  with  a  single  cavity,  hemifission/hemifusion  and  two  separated  child  vesicles,  as  a  result  of  breaking  topological  isomorphism.  This  is  consistent  with  the  classical  picture  of  "stalk"  mechanism  for  fusion  and  "budding-fission"  mechanism  for  fission.  With  the  increase  of  inter-vesicle  repulsion,  we  observe  a  great  reduction  of  the  cleavage  energy,  indicating  that  vesicle  fission  can  be  achieved  without  hemifission,  in  good  agreement  with  simulations  where  inter-vesicle  repulsion  is  high.  We  model  a  real  biomolecular  condensate  as  a  polymer  condensed  in  a  mixture  of  solvent  and  cosolvent.  Even  both  solvent  and  cosolvent  are  good  to  the  polymer,  we  demonstrate  that  strong  polymer-cosolvent  affinity  induces  the  formation  of  a  single-chain  condensate.  Even  though  all  the  molecular  interactions  are  soft,  the  potential  of  mean  force  between  two  condensates  exhibits  an  anomalous  feature  of  long-range  hard-wall  repulsion,  which  cannot  be  categorized  into  any  existing  types  of  inter-chain  interactions.  The  underlying  mechanism  is  cosolvent  regulation  manifested  as  a  discontinuous  local  condensation  of  cosolvent.  The  hard-wall  repulsion  provides  a  kinetic  barrier  to  prevent  coalescence  of  condensates  and  hence  highlights  the  intrinsic  role  of  proteins  as  a  cosolvent  in  stabilizing  biomolecular  condensates.Having  presented  the  whole  picture  of  the  variational  field-theoretical  approach  from  its  development  to  its  applications,  this  dissertation  finally  concludes  by  discussing  new  research  directions  and  possible  refinement  of  the  theory  in  the  future.
■590    ▼aSchool  code:  0028.
■650  4▼aChemical  engineering
■650  4▼aPolymer  chemistry
■650  4▼aNanoscience
■653    ▼aMacromolecules
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■690    ▼a0542
■690    ▼a0565
■690    ▼a0495
■71020▼aUniversity  of  California,  Berkeley▼bChemical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01B.
■790    ▼a0028
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17357205▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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