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Theoretical and Simulation Studies on Quasi-Two-Dimensional Soft Materials : Biological Lipid Membranes and Polymeric Systems

  • 오영훈 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

During my Ph. D. study, I mainly perform molecular dynamics simulations to elucidate the structure and dynamics of quasi-two dimensional soft matters. Soft materials with the planar structure like biological cell membranes and polymer thin films could be classified to quasi-two dimensional materials. Quasi-two dimension is distinguished from mathematical two dimensions by the existence of out-of-plane dispersions. Recently, these materials have been intensively studied due to their unique properties and applicability. In both scientific and industrial aspects, therefore, it is important to understand the underlying physics of the quasi-two dimensional materials. Diffusion mechanism of the biological lipid bilayer is the primary topic of this thesis and described. Since the fluid-mosaic model of Singer and Nicolson has been proposed, our understandings on the dynamic nature of lipid membranes are magnificently advanced. For the sake of state of the art experiments like single molecular spectroscopy and superresolution microscopy, it has been revealed that the lipid bilayer is compositionally and dynamically heterogeneous. In lipid membranes, sphingolipids, sterols, and specific membrane proteins are combined into a functional nanodomain that also known as lipid raft.Although there is controversy on the true nature of lipid raft, it is widely accepted that the compositional and dynamic heterogeneities of lipid membrane play important roles in the biochemical functions cell membranes. However, the physical origin of the formation of heterogeneities, even in simple membranes that consist of less than three components, remains elusive at a molecular level. In this thesis, extensive molecular dynamics simulations are performed to investigate the structure and dynamics of the lipid membranes. Another representative quasi-dimensional materials are polymer thin films. The polymer thin films are widely used in modern industries. In recent studies, nanoparticles are added to polymer thin films to obtain physical properties such as specific level of electrical conductivity, glass transition temperature, and tensile stress. However, understandings on the distribution of nanoparticles in thin polymer films and their dynamic properties remain elusive. In this thesis, thermodynamic and dynamic properties of polymer films including nanoparticles are studied by means of molecular dynamics simulations.

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초록/요약

본 학위 논문에서는 준 이차원 연성 물질에 대한 분자 동역학 시뮬레이션 연구 결과를 논의 하고자 한다. 준 이차원 물질이란, 세포막 혹은 고분자 박막과 같이 얇은 필름 형태를 보이는 물질을 뜻하며 , 평면의 수직 방향으로의 움직임으로 인해 수학적 이차원과 구별된다 . 이러한 준 이차원 연성 재료는 독특한 물리적 성질과 응용 가능성으로 인해 광범위하게 연구되고 있 다 . 준 이차원 연성 재료의 특성을 분자 수준에서 이해하는 것은 기초과학적 측면 그리고 산 업적 응용 측면 모두에서 중요하다 할 수 있다. 인지질 이중층은 모든 세포의 구조적 바탕을 이루는 대표적인 준 이차원 연성물질이다. 인 지질 이중 층을 이루는 인지질, 당지질, 막 단백질, 스테롤 등의 분자는 막 표면을 따라 확산 을 하는 , 준 이차원 액체와 유사한 유동성을 가진다 . 이러한 동역학적 유동성으로 인해 세포 막은 단순히 세포의 내부와 외부를 구분 짓는 장벽의 역할 뿐만 아니라, 그 자체로 다양한 생 화학적 기능을 할 수 있게 된다. 그런데 최근 연구를 통해 이 세포막의 구조는 그 구성성분이 균일하게 혼합되어 있지 않으며 , 구조적 기능적 단위를 이루는 나노미터 (nm) 크기의 단위 도메인이 존재한다는 것이 알려졌다. 나노 도메인 형성의 가장 주요한 원인으로 주목받고 있 는 분자는 콜레스테롤이다. 콜레스테롤은 저밀도지단백질과 결합하여 혈관에 쌓이게 되면 각 종 성인병을 유발하지만, 세포막에서 없어서는 안 될 중요한 구성 분자이다. 콜레스테롤은 세 포막의 유동성과 구조적 안정성을 넓은 온도 범위에서 일정하게 유지하는 데 큰 역할을 한다. 하지만 콜레스테롤이 어떤 원리에 의해 유동성과 구조적 안정성을 동시에 가져오는지, 콜레스 테롤의 세포막에서의 역할이 나노 도메인 형성에 어떻게 이바지하는지에 대한 분자 수준의 이 해는 크게 부족한 상황이다 . 본 학위 논문에서는 , 인지질 이중 막에서 콜레스테롤의 확산 메 커니즘에 대한 분자 동역학 시뮬레이션 연구 결과를 논함으로써 세포막에 대한 물리 화학적 이해에 기여하고자 한다. 또 다른 대표적인 준 이차원 물질에는 고분자 박막이 있다. 고분자 박막, 혹은 고분자 필름 은 다양한 현대 산업에서 중요하게 응용되고 있는 물질이다. 이에 관한 최근 연구에서는 특정 수준의 전기전도도, 유리 전이 온도, 인장 응력 등의 물리적 성질을 얻기 위해, 고분자 박막에 나노 입자를 첨가하였다 . 하지만 나노 입자가 얇은 고분자 필름에서 어느 위치에 분포하고 , 어떠한 동역학적 성질을 갖는지에 대한 연구는 부족한 상황이다. 본 학위 논문에서는 나노 입 자를 포함하는 고분자 필름의 열역학적 , 동역학적 성질을 분자 동역학 시뮬레이션을 통하여 연구 하였다.

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