Theses

From real-science

Jump to: navigation, search

Our door is always open to students interested in experimental physics. Maybe you just want to tour the labs, or are looking to write a seminar for your class? Feel free to say hi to us. Why not tackle some of the most interesting problems in biophysics and solid state physics?

Here is a list of thesis topics (in Croatian) students can apply for at our group, and an archive of finished theses.

Contents

Prospective theses - Call for students

Doctoral thesis: Charge stripes and complexity in low-dimensional organic and transition-metal materials: low-frequency excitations and nonlinear dynamics

Pruge naboja i kompleksnost u niskodimenzionalnim organskim materijalima i materijalima prijelaznih metala: niskofrekventna pobuđenja i nelinearna dinamika

  • Ključne riječi: Jako korelirani sistemi, sistemi s valom gustoće naboja, pruge naboja, uređenje naboja, jaka polja i nelinearni efekti, kolektivna pobuđenja, prijelazi metal-izolator i ostali elektronski prijelazi, slojni organski supravodiči, manganiti

Plan istraživanja

Stanja slomljene simetrije i njihova kolektivna pobuđenja su od fundamentalnog značenja za razumijevanje najkorisnijih i najintrigantnijih svojstava materijala u fizici čvrstog stanja. Iznimno intrigantno izolatorsko stanje su npr. pruge naboja, koje sadrže visoko organizirane nabojne strukture i za koje se pretpostavlja da su usko povezane sa supravodljivošću (SV) i kolosalni magnetootpor (KMO)? Je li ta veza razorna ili pridonosi stvaranju SV i KMO? Koja je priroda uređenja naboja i njihovih kolektivnih pobuđenja? Nadalje, porijeklo dramatičnih efekata visokih električnih polja je još uvijek nejasno i predložene interpretacije su vrlo kontroverzne: nelinearne strujno-naponske karakteristike i efekti prebacivanja različiti autori pripisuju dielektričnom proboju, djelomičnom rastakanju uređenja naboja ili klizanju vala gustoće naboja (VGN). Očito je, dakle, da su potrebna nova mjerenja i primjena novih tehnika kako bismo bez dvojbe identificirali prirodu faza uređenja naboja i kolektivnih pobuđenja u tim sistemima.

U tu svrhu plan istraživanja okviru doktorskog rada uključuje istraživanja dinamike faza uređenog naboja i njihovih kolektivnih pobuđenja u promjenljivim električnim i magnetskim poljima u nekoliko različitih materijala koji se razlikuju u stupnju reducirane dimenzionalnosti i jakosti pojedinih interakcija: U, V i e-ph. Izbor će se napraviti unutar obitelji materijala:

  1. kvazi-1D (TMTTF2X),
  2. slojni organski supravodiči (α-(BEDT-TTF)2I3, θ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4)
  3. manganiti kemijskih formula and La1-xCaxMnO3 za x > 0.5.

Organski materijali postoje u obliku monokristala što omogućuje istraživanje

  • anizotropije dielektrične relaksacije u linearnom režimu malih izmjeničnih električnih polja i u frekventnom području 10Hz-6MHz,
  • anizotropije nelinearne vodljivosti u promjenljivim jakim istosmjernim električnim poljima.

S druge strane, manganitni materijali postoje u obliku tankih filmova i prešanih pastila/keramika. Istraživanja će obuhvatiti uzorke različitih veličina zrna (nanometarskih do mikrometarskih veličina) koristeći gore spomenute tehnike u cilju razjašnjenja fizikalnih pojava unutar zrna kao i utvrđivanja rubnih efekata na stabilnost uređenja naboja. Dodatna mjerenja u laboratorijima naših partnera omogućuju proširenje frekventnog prozora u terahertz i infracrveno područje.

Plan stručnog usavršavanja

  • eksperimentalne tehnike niskih temperature (IF, Zagreb),
  • dielektrična spektroskopija (IF, Zagreb),
  • tehnike detekcije nelinearnog transporta: pulsna metoda i metoda dinamičkog otpora (IF, Zagreb)

Ovisno o tijeku istraživanja i dobivenim rezultatima predviđamo jednu do dvije od dalje navedenih tehnika

  • optičku spektroskopiju (Universität Stuttgart)
  • terahertz spektroskopiju (Universität Stuttgart)
  • difuzno X-ray raspršenje (Universite Paris-Sud / Universite Pierre et Marie Curie)
  • X-ray absorption spectroscopy (Universite Paris-Sud / Universite Pierre et Marie Curie)
  • X-ray anomalous scattering (Universite Paris-Sud / Universite Pierre et Marie Curie).

Uključenost u istraživačke projekte

  1. "Terahertz spectroscopy of collective excitations in ordered phases of overdoped manganites", DFG projekt DR 228/36 (M. Dressel, Stuttgart; B. Gorshunov, Moskva; V. Moshnyaga, Göttingen; T. Zhang, Hefei)
  2. "Pruge naboja i kompleksnost u slojnim organskim materijalima i materijalima prijelaznih metala: niskofrekventna pobuđenja i nelinearna dinamika", projekt temeljnih istraživanja prijavljen na HRZZ natječaj (travanj 2011); prošao pretprijavu; predan u 2. krug evaluacije 20. srpnja 2011.
  3. "Charge orderings in Quasi-1D organic systems: structure and dynamics": projekt u planu za natječaj u okviru bilateralne suradnje Hrvatska-Francuska (raspis predviđen u svibnju 2012); partneri: P. Foury, J. P. Pouget, V. Ilakovac


Doctoral thesis: Experimental study of the structure and dynamics of double-stranded DNA aqueous solutions in the two contrasted regimes of repulsive and attractive Coulomb interactions

Eksperimentalna istraživanja strukture i dinamike vodenih otopina monovalentnih i polivalentnih soli dvostruke uzvojnice DNA

Voditelj: Silvia Tomić, Institut za fiziku, stomic@ifs.hr

U biološkim polielektrolitima (nabijene makromolekule u vodenim sredinama), iako funkcioniraju u vodenim sredinama samo u relativno uskom temperaturnom području oko sobne temperature, kulonske interakcije su toliko jake da vode na bogatstvo fenomena koje je usporedivo sa fenomenima u nisko-temperaturnoj fizici [1]. Još se nedovoljno zna o vezama između strukture i kulonskih interakcija u polielektrolitskim otopinama koje se sastoje od puno lanaca. Očekuje se da izbor parametara kao što su gustoća naboja, valencija, koncentracija i ionska jakost vodene sredine koji karakteriziraju biopolielektrolitnu otopinu igraju bitnu ulogu u određenju konformacijske strukture i dinamike, a što znači u određenju biološke aktivnosti. Do sada smo u okviru projekta istraživali strukturu i dinamiku monovalntne soli vodenih otopina DNA s repulzivnim kulonskim interakcijama. Mjerili smo dinamiku vodenih otopina natrijeve soli DNA (Na-DNA) u ovisnosti DNA koncentracije, koncentracije dodane soli i dužine DNA lanaca [2,3,4,5]. Tehnikom dielektrične spektroskopije su detektirana dva relaksacijska moda u frekventnom području između 100 Hz i 100 MHz koja se mogu pridijeliti difuznom kretanju intrinsičnih DNA protuiona. Usporedbom karakterističnih prostornih skala iz eksperimenta s fundamentalnim prostornim skalama, koje predviđa standardna teorija,[6] utvrđeno je da niskofrekventni mod opisuje strukturna svojstva pojedinog DNA lanca, dok visokofrekventni mod karakterizira strukturna svojstva DNA otopine kao cjeline koja se sastoji od mnoštva DNA lanaca. Eksperimentalni rezultati su također jasno ukazali na međusobne uloge instrinsičnih DNA protuiona i iona dodane soli u zasjenjenju sto je posebno važno za rješavanje kontroverznog problema DNA konformacije u čistim vodenim otopinama. Konačno, rezultati dielektrične spektroskopije su otkrili da dvostruka uzvojnica kratkih DNA segmenata pokazuje iznenađujuće visoku fleksibilnost koja je u suprotnosti s predviđanjima standardne teorije [6]. Ti rezultati mogu se razumjeti kao posljedica dinamički formiranih denaturacijskih mjehurića odnosno disanjem parova baza i u skladu su s rezultatima dobivenim tehnikama FRET (fluorescence resonance energy transfer) i SAXS (small angle X-ray scattering) [7].

U domeni monovalente soli DNA ostala su dva otvorena pitanja koja nas posebno interesiraju. Prvo se odnosi na konformaciju dvostruke uzvojnice monovalentne soli DNA u čistim vodenim otopinama te usklađivanju proturječnih mišljenja unutar znanstvene zajednice koja se tiču stabilnosti dvostruke uzvojnice DNA u čistoj vodi, što znači da treba postići dublje razumijevanje denaturacijskog procesa. Kako bi se odgovorilo bolje na to pitanje, potrebno je izvesti poredbenu studiju denaturacijskog faznog prijelaza dvostruke uzvojnice DNA u vodenoj sredini, pomoću dielektrične spektroskopije i UV spektrofotometrije. U tu svrhu se planiraju mjerenja dielektričnog odgovora i UV apsorbancije DNA vodenih otopina u širokom rasponu DNA koncentracija (0.01 do 1 mg/mL), sa ili bez prisustva dodane soli. Dielektrična i UV mjerenja izvršit će se u cijelom temperaturnom području denaturacijskog faznog prijelaza. Drugo pitanje kojem se želi posvetiti pažnja jest mehanizam vodljivosti u dc granici: pitanje je koji nabijeni entiteti su odgovorni za mjerenu vodljivost u vodenim otopinama DNA i koje je porijeklo viskoznosti. Očekuje se da izbor parametara kao što su stupanj polimerizacije tj. konturna dužina DNA fragmenata, koncentracija i ionska jakost vodene sredine igra bitnu ulogu. U okviru oba istraživanja planiraju se dodatna mjerenja viskoznosti i kontrola/vizualizacija stanja uzoraka koristeći mikroskop atomske sile (AFM), dakle proučavajući morfologiju uzoraka na molekularnoj razini.

U domeni polivalentnih soli DNA planiraju se mjerenja karakterizacije i vizualizacije DNA uzoraka u vodenim otopinama (UV spektrofotometrija, elektroforeza, AFM) i mjerenja dielektrične relaksacije u cilju određenja dinamike i na taj način strukture DNA otopina u granici privlačnih kulonskih interakcija.

Planirana istraživanja će se izvoditi u suradnji s kolegama i kolegicama s IRBa, J.Stefana i Odsjeka za fiziku i matematiku Sveučilišta u Ljubljani.

Reference:

  1. A. Yu. Grosberg et al., Rev. Mod. Phys.74, 329 (2002).
  2. S. Tomić, T. Vuletić, S. Dolanski-Babić, S. Krča, D. Ivanković, L. Griparić and R. Podgornik, Screening and Fundamental Length Scales in Semidilute Na-DNA Aqueous Solutions, Phys. Rev. Lett. 97, 098303 (2006) (download).
  3. S. Tomić, S. Dolanski-Babić, T. Vuletić, S. Krča, D. Ivanković, L. Griparić and R. Podgornik, Dielectric relaxation of DNA aqueous solutions, Phys. Rev. E 75, 021905 (2007) (download).
  4. S. Tomić, S. Dolanski Babić, T. Ivek, T. Vuletić, S. Krča, F. Livolant and R. Podgornik, Short-fragment Na-DNA dilute aqueous solutions: fundamental length scales and screening, EPL 81, 68003 (2008) (download).
  5. S.Dolanski Babić, Električna i dielektrična svojstva vodenih otopina genomske deoksiribonukleinske kiseline, doktorski rad, PMF Sveučilište u Zagrebu (neobjavljeno 2008).
  6. A. V. Dobrynin and M. Rubinstein, Prog. Polym. Sci. 30, 1049 (2005).
  7. C. Yuan, H. Chen, X. W.Lou and L. A. Archer, Phys. Rev. Lett. 100, 018102 (2008).


Diploma thesis: Faze tekućih kristala RecA proteina i kompleksa RecA+DNA

Predlagatelj/voditelj: Tomislav Vuletić

E-mail predlagatelja: tvuletic@ifs.hr

Okvirna tema: Faze tekućih kristala RecA proteina i kompleksa RecA+DNA

Prikladno za smjer:

  • Diplomirani inženjer fizike - eksperimentalni smjer
  • Profesor fizike
  • Profesor fizike i kemije

Kratki opis teme: Rad na tekućim kristalima RecA proteina je dio mog projekta Protein Assisted DNA Monolayer Assembly financiranog od Unity through Knowledge Fund.

Sažetak projekta: Potreba za brzim sekvenciranjem DNK molekula, u kliničkoj i znanstvenoj primjeni, otvara niz novih, fundamentalnih pitanja u području biofizike. Umjesto vremenski zahtjevnog rada s otopinama, današnje se metode baziraju na stvaranju DNK senzora/čipova. Oni nastaju učvršćivanjem DNK proba na razne podloge (substrate), i na takav način služe kao detektori za određenu vrstu molekula (ciljane molekule) koje prepoznaju DNK probu. Ostvarivost i brzina procesa koji se odvijaju na senzorima ovise o dostupnosti genetičkog koda koji je određen načinom slaganja DNK molekule na površinu podloge. U ovom projektu, izlažemo ideju o stvaranju DNK senzora koji bi se sastojao od podloge na koju je smještena potpuno izdužena DNK molekula - proba, koja time postaje potpuno dostupna za interakciju sa ciljanom DNK. Time bi se zaobišla neka od važnih ograničenja do sada poznatih koncepata DNK senzora.

U sklopu projekta: Protein Assisted DNA Monolayer Assembly, UKF

Predviđena suradnja: F.Livolant, Universite Paris XI; J. Raedler, LMU, Munchen


Diploma/Master degree/Doctoral thesis: Dielektrična spektroskopija niskodimenzionalnih sistema sa uređenjem naboja

Primijenit ćemo nisko-frekventnu dielektričnu spektroskopiju za detekciju i karakterizaciju relaksacijskih procesa vezanih za uređenje naboja (charge order) u niskodimenzionalnim organskim i anorganskim materijalima. To su sistemi sa četvrt popunjenom vrpcom u kojima postojanje jakog Coulombskog odbijanja vodi na nestabilnost elektronskog sistema i uspostavljanje energetski povoljnijeg uređenja naboja na niskim temperaturama.

Postojanje takvog faznog prijelaza otkriveno je nedavno u seriji kvazi-1D i kvazi 2D materijala. Mjerenja nuklearne magnetske rezonancije su pokazala da kontinuirani fazni prijelaz vodi na postojanje dva ne-ekvivalentna mjesta naboja u jediničnoj ćeliji, dok su mjerenja dielektrične susceptibilnosti, do sada rađena samo na nekim sistemima, ukazala na feroelektričnu prirodu prijelaza. Osnovno stanje posjeduje samo procjep u spektru naboja, dok otvaranje spinskog procjepa nije opaženo. Tema ovog rada je detekcija i karakterizacija relaksacijskih procesa u osnovnom feroelektričnom stanju navedenih sistema. Dodatno, proučavat će se i uređenje naboja (stripes) otkriveno u ostalim serijama kvazi-1D i kvazi 2D materijala, kao što su na primjer oksidi i visokotemperaturno supravodljivi kuprati.

U sklopu projekta: 035-0000000-2836 MZOS

Predviđena suradnja: M. Dressel, University Stuttgart


Finished theses

Diploma

Master degree

Doctoral

Views
Personal tools