Controlling encapsulation and release by charge regulation in macromolecules

• Název práce v češtině: Řízená enkapsulace a uvolňování pomocí regulace náboje makromolekul
• Název v anglickém jazyce: Controlling encapsulation and release by charge regulation in macromolecules
• Klíčová slova: simulace, polymer, polyelektrolyt, hydrogel, uvolňování, enkapsulace, acidobazická rovnováha
• Klíčová slova anglicky: simulation, polymer, polyelectrolyte, hydrogel, release, encapsulation, acid-base equilibrium
• Akademický rok vypsání: 2020/2021
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Košovan, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 22.10.2020
• Datum zadání: 22.10.2020
• Konzultanti: prof. RNDr. Miroslav Štěpánek, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Select three or more from the following list:
MC260P129 Statistical Thermodynamics and Molecular Simulation
MC260P124 Physical Chemistry of Macromolecules
MC280P85 Scientific Writing
MC280P84 Scientific Oral Presentations
MC260P132 and MC260P133 Physical Chemsitry for International Students I and II (to be considered)

Seznam odborné literatury

Review articles addressing the specific research subject:
J. Landsgesell, L. Nová, O. Rud, F. Uhlík, D. Sean, P. Hebbeker, C. Holm, P. Košovan: Simulations of ionization equilibria in weak polyelectrolyte solutions and gels,Soft Matter(2019) DOI: 10.1039/c8sm02085j

Textbooks:
Physical chemistry of polymers and polyelectrolytes:
J. Van der Maarel: Introduction to Biopolymer Physics https://www.fmf.uni-lj.si/~podgornik/download/Introduction.pdf
M. Rubinstein and R. Colby: Polymer Physics

Molecular Simulation and statistical Thermodynamics:
Frenkel and Smit: Understanding molecular simulation, Academic Press (Presumably the most educative and easy to read textbook. The classic of the field.)
Vlugt, van der Erden, Dijkstra, Smit, Frenkel: Introduction to Molecular Simulation and Statistical Thermodynamics (free online, largely based on Frenkel-Smit textbook)
http://homepage.tudelft.nl/v9k6y/imsst/index.html
D. McQuarrie: Statistical Mechanics, University Science Books, 1976, 2000 (The classical textbook, used worldwide since 1970s)
L. Reichl: A modern course in statistical Physics, Wiley 1998, 2008 (Very nice modern textbook for Chemists)
D. Chandler: Introduction to modern Statistical Thermodynamics (Very brief but also very condensed. Previous knowledge of statmech is desired before reading it.)

Předběžná náplň práce

Tato dizertační práce zahrnuje coarse-grained simulace pH-responzivních (slabých) polyelektrolytů a krátkých oligopeptidů. Na základě těchto simulací budeme predikovat stupeň ionizace a celkový náboj na těchto molekulách při různém pH, a při interakcích s polyelektrolyty. Analogické systémy se studují experimentálně v rámci skupiny Soft Matter.
Hlavními úkoly studenta bude provádění simulací, zpracování výsledků, další vývoj modelů a implementace nových algoritmů a simulačních protokolů. Práce může zahrnovat i experimentální práci s cílem seznámit se s experimentálními metodami používanými ke studiu simulovaných systémů.
Prípadné další rozšíření práce může zahrnovat simulace botnání a rozdělování solutů v polyelektrolytových hydrogelech a v revezibilně síťovaných gelech tvořených polymery na bázi boronových kyselin.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

This PhD project entails coarse-grained simulations of pH-responsive (weak) polyelectrolytes and short oligopeptides. The simulations predict the ionization degree and the total charge on the molecules at various pH, and their interaction with polyelectrolytes. Analogous systems are investigated experimentally within the Soft Matter group.
The main job of the student will be to perform the simulations, analyze the data, refine the models and implement new simulation algorithms or new simulation protocols. Optionally, the job may also include a limited amout of experimental work in order to gain practical experience with experimental methods used for characterization of the simulated systems.
Further extensions of these project include simulations of swelling and partitioning of small solutes in polyelectrolyte hydrogels or reversibly crosslinked gels formed by polymers containing boronic acid.