Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Shukning Choi

Väitöskirjan nimi: Real-space observation of non-covalent interactions in planar and non-planar molecules using scanning probe microscopy

Tohtoriopiskelija: Shukning Choi
Vastaväittäjä: professori Angelika Kühnle, Bielefeld University, Saksa
Kustos: professori Peter Liljeroth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Supramolekyylisten materiaalien nopean kehityksen myötä ei-kovalenttisten vuorovaikutusten (NCI) tutkimuksesta on tullut yhä kriittisempää. Nämä vuorovaikutukset ovat keskeisiä biologisten ja synteettisten materiaalien muodostumiselle, stabiilisuudelle ja toiminnallisuudelle. Skannaava koetintekniikka (SPM) tarjoaa ainutlaatuisen alustan NCI:den tutkimiseen mataladiemisissa supramolekyylisissä itsejärjestäytyneissä rakenteissa pinnoilla. Tämä tekniikka mahdollistaa suoran visualisoinnin ja vähentää ensemble-keskiarvoistamisesta johtuvia virheitä.

Elektrosuihkutuksessa (ESD) käytettävän SPM-tekniikan kehittyminen on merkittävästi laajentanut sen soveltuvuutta haihtumattomiin ja herkkiin biomolekyyleihin. Kuitenkin tällaisten molekyylien tarkan 3D-rakenteen kuvaaminen ja varmistaminen on edelleen huomattava haaste. Tämän haasteen ratkaiseminen edellyttää tehokkaiden rakenteenhakumenetelmien ja rekonstruointitekniikoiden kehittämistä, joita on toistaiseksi tutkittu melko vähän.

Tämä väitöskirja tutkii ei-kovalenttisten vuorovaikutusten rakenteellisia ja toiminnallisia vaikutuksia mataladiemisissa supramolekyylisissä nanorakenteissa pinnoilla, edeten planaarisista molekyyleistä epäplanaarisiin pieniin molekyyleihin ja joustaviin biomolekyyleihin. Tämä systemaattinen lähestymistapa osoittaa, kuinka tutkittavien järjestelmien kasvavaan monimutkaisuuteen voidaan vastata. Keskustelu alkaa DNA-emäsmolekyylien planaarisista itsejärjestyneistä rakenteista, jotka luovat dynaamisia rajoitettuja ympäristöjä, stabiloiden vesidimeerejä ja paljastaen niiden vaikutuksen epätarkkojen vetysidosten muodostumisessa. Seuraavaksi siirrytään koneoppimisen (ML) integroimiseen, jotta voidaan ennustaa epäjärjestäytyneiden vesinanoklustereiden rakenteita metallipinnoilla ja määrittää monimutkaisia vetysidosten järjestelyjä. Lopuksi tutkimus keskittyy glykosidisidoksen stereokemiaan hiilihydraattien itsejärjestymisessä, korostaen sen keskeistä roolia ei-anomeeriseen hiileen kiinnittyneiden ryhmien varausjakauman säätelyssä sekä kiraalisuuden siirtymän hallinnassa itsejärjestymisprosesseissa. Tämä saavutetaan data-tehokkailla, monitasoisilla rakenteenhaun menetelmillä, jotka on yhdistetty koneoppimiseen.

Näiden tutkimusten kautta tämä väitöskirja tarjoaa oivalluksia siitä, kuinka yhä monimutkaisempien järjestelmien haasteisiin voidaan vastata. Lisäksi se luo pohjan tehokkaammille menetelmille NCI:den tutkimiseen ja niiden vaikutusten selvittämiseen supramolekyylisiin materiaaleihin atomi

Avainsanat: Skannaava koetintekniikka, Elektrosuihkutuksessa, Ei-kovalenttiset vuorovaikutukset

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52