Project

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Polaritätsbildung in molekularen Kristallen, natürlichem Gewebe und biomimetischen Materialien

English title Polarity formation in molecular crystals, natural tissues and biomimetic materials
Applicant Hulliger Jürg
Number 159231
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.04.2015 - 31.03.2018
Approved amount 472'263.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics

Keywords (5)

polarity of tissues; polar crystals; local electrical fields; experimental methods for polarity characterization; polarity of inorganic-organic composites

Lay Summary (German)

Lead
Molekulare Bausteine welche aufgrund ihrer Symmetrie ein Dipolmoment aufweisen können in Kristallen, biomimetischen Materialien oder in natürlichen Geweben zum Aufbau von polaren Strukturen beitragen. Wenn derartige Materialien durch Anlagerung von Bausteinen an der Oberfläche wachsen, können die asymmetrischen Bausteine entweder „up“ oder „down“ eingefügt werden. Dieser Prozess von Orientierungsunordnung führt über konfigurationelle Entropie zum Aufbau von Polarität. Im Projekt wird dieser in der Natur grundlegende Prozess anhand theoretischer Simulationen und physikalischen Experimenten exemplarisch untersucht.
Lay summary

In diesem Projekt wird das Phänomen stochastische Erzeugung von Polarität in folgender Weise erforscht:

i) Mittels Monte Carlo Rechnungen sowie molekulardynamischer Modelle soll gezeigt werden, dass keimförmige Aggregate (flüssig und kristallin) von realen kleinen Molekülen (auf Benzolbasis) in einen stationären Zustand thermalisieren, welcher unabhängig von der sich einstellenden Packung einen bipolaren Zustand darstellt. Dieses theoretische Resultat soll durch weiterführende experimentelle Untersuchungen mittels Rasterpyromikroskopie an verschiedenartigen Materialien bestätigt werden.

ii) Da die stochastische Bildung von Polarität in biomimetischen und natürlichen Geweben ebenfalls nachgewiesen  werden konnte, sollen für biomimetische Materialien unter Verwendung unterschiedlicher kettenförmiger Makromoleküle und mineralischer Gitter Kompositstoffe hergestellt und auf deren Polaritätsverteilung hin studiert werden. Dabei ist von besonderem Interesse zu erfahren, welche molekularen Komponenten selektiv vom System verwendet werden.

Hinsichtlich stochastischer Polaritätsbildung in natürlichem Gewebe sollen wachstumsspezifische Effekte untersucht werden, welche zur polaren Ausrichtung von Collagen führen. Von besonderem Interesse ist hier der Zusammenhang von absoluter Orientierung der Polarität und der Richtung des biologischen Wachstums. Hier wird einerseits nach Markov-Typ Polarität, andererseits nach zellspezifischer Polarität gesucht.

Dem Projekt sind (finanziert durch Mittel der Universität Bern) eine Reihe von Ergänzungsuntersuchungen angeschlossen. Die Aktion soll als Ganzes das äusserst erfolgreiche Thema „stochastische Polaritätserzeugung“ im Rahmen unserer Bemühungen 2018 abschliessen.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.04.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Spontaneous ordering at the free surface of molecular clusters
Cannavacciuolo Luigi, Hulliger Jürg (2018), Spontaneous ordering at the free surface of molecular clusters, in Chemical Physics Letters, 692, 364-366.
Three-dimensional Ising model of polarity formation in molecular crystals
Cannavacciuolo Luigi, Hulliger Jürg (2017), Three-dimensional Ising model of polarity formation in molecular crystals, in Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 484, 499-505.
Stochastic polarity formation in molecular crystals, composite materials and natural tissues
Hulliger Jürg, Burgener Matthias, Hesterberg Rolf, Sommer Martin, Brahimi Khadidja, Aboulfadl Hanane (2017), Stochastic polarity formation in molecular crystals, composite materials and natural tissues, in IUCrJ, 4(4), 360-368.
Polarity formation in crystals with long range molecular interactions: A Monte Carlo study
Cannavacciuolo Luigi, Hulliger Jürg (2016), Polarity formation in crystals with long range molecular interactions: A Monte Carlo study, in The Journal of Chemical Physics, 145(12), 124502-124502.
Peculiar orientational disorder in 4-bromo-4′-nitrobiphenyl (BNBP) and 4-bromo-4′-cyanobiphenyl (BCNBP) leading to bipolar crystals
Burgener Matthias, Aboulfadl Hanane, Labat Gaël Charles, Bonin Michel, Sommer Martin, Sankolli Ravish, Wübbenhorst Michael, Hulliger Jürg (2016), Peculiar orientational disorder in 4-bromo-4′-nitrobiphenyl (BNBP) and 4-bromo-4′-cyanobiphenyl (BCNBP) leading to bipolar crystals, in IUCrJ, 3(3), 219-225.
Polarity Formation in Molecular Crystals as a Symmetry Breaking Effect
Cannavacciuolo Luigi, Hulliger Jürg (2016), Polarity Formation in Molecular Crystals as a Symmetry Breaking Effect, in Symmetry, 8(3), 10-10.
Absolute polarity determination of teeth cementum by phase sensitive second harmonic generation microscopy
Aboulfadl Hanane, Hulliger Jürg (2015), Absolute polarity determination of teeth cementum by phase sensitive second harmonic generation microscopy, in Journal of Structural Biology, 192(1), 67-75.
Polar Nature of Biomimetic Fluorapatite/Gelatin Composites: A Comparison of Bipolar Objects and the Polar State of Natural Tissue
Burgener Matthias, Putzeys Tristan, Gashti Mazeyar Parvinzadeh, Busch Susanne, Aboulfadl Hanane, Wübbenhorst Michael, Kniep Rüdiger, Hulliger Jürg (2015), Polar Nature of Biomimetic Fluorapatite/Gelatin Composites: A Comparison of Bipolar Objects and the Polar State of Natural Tissue, in Biomacromolecules, 16(9), 2814-2819.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
MPI Dresden Prof. R. Kniep Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
University of Leuven Prof. M. Wübbenhorst Belgium (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Biocenter Basel Prof. B. Müller Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
146413 Stochastische Polaritätserzeugung in Kristallen und natürlichem Gewebe 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
140309 Fundamentale Wachstumsinstabilität für Kristalle welche einer uniaxialen polaren Punktgruppe angehören 01.04.2012 Project funding (Div. I-III)
140309 Fundamentale Wachstumsinstabilität für Kristalle welche einer uniaxialen polaren Punktgruppe angehören 01.04.2012 Project funding (Div. I-III)

Abstract

1. SummaryThe present proposal is asking for a continuation and accomplishment of basic research in the field of stochastic polarity formation.Over a period of about 20 years, the group of the applicant has established a new research field covering basic theoretical, new experimental techniques with wide applications to molecular materials including living matter.Here, a final but broad and deep action is to be set up to understand stochastic polarity formation by performing research on (in relation to the COST action CM 1402) :(i) Monte Carlo and molecular dynamics simulations applied to condensed states of real dipolar molecules, taking into account long range interactions. Demonstration of a bi-polar state to be the natural stationary condensed state of dipolar matter.(ii) Calculation of the local electrical field in polar molecular crystals and investigation of their influence on the formation of polar order, including an experimental investigation by electron paramagnetic resonance (via doped in radicals).(iii) Basic theoretical predictions need further confirmation by studying the reversal transition in various polar molecular crystals and solid solutions thereof.(iv) Viedma ripening is a fascinating phenomenon. Here, we shall investigate a possible coupling of the Viedma mechanism to Markov-type polarity formation to obtain enantiomerically pure crystals.(v) Studying polarity generation in inorganic / organic composite materials where long chain biomolecules are involved are of great interest to study mechanisms of the molecule-to crystal-face recognition. Here, we will start from our pre-work on the bi-polar state of the apatite / gelatine composite and expand research into other minerals and macromolecules.(vi) The most complex topic of this proposal is devoted to polarity formation in natural tissues by using scanning pyroelectric microscopy and phase-sensitive second harmonic microscopy. Pre-work has demonstrated that both techniques can provide basic knowledge on the spatial distribution and the absolute orientation of the electrical polarization in tissues. The final goal is, to bring own experimental observations, data from literature and our theoretical predictions into agreement.All proposed work relies on a common ground which is given by orientational selectivity (order vs 180° disorder) of dipolar building blocks forming liquids, molecular crystals, biomimetic composites and natural tissues. By end of 2018 (retirement of the applicant) we attempt to achieve a most advanced view on stochastic polarity formation covering all materials and theoretical issues we have addressed above by closing present gaps between theoretical predictions and experimental data.
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