Zelfreplicatie binnen dissipatieve deeltjesdynamica

Een fenomeen dat heel wat wetenschappers in de informatica, fysica, biologie en ingenieurswetenschappen reeds decennia bezig houdt, is een proces waaraan ze hun eigen leven op aarde te danken hebben: zelfreplicatie. Algemeen gezien is het de mogelijkheid voor organismen, machines en programma’s om een kopie van zichzelf te maken. De natuur is er al lang mee bezig: genetisch materiaal en eiwitten kopiëren zich in elk levend wezen.
 Het doel van deze thesis was om een computationele manier te ontwikkelen om zelfreplicatie te bestuderen. Daarbij baseerde men zich op een recente publicatie van Zeravcic en Brenner (2013), waarin zelfreplicatie werd computationeel onderzocht voor colloïdedeeltjes in een suspensie. Wanneer deze deeltjes elk een bepaald label meekrijgen en men hierop label-afhankelijke krachten laat inwerken, kan er structuurvorming optreden. In de paper werden structuren in de vorm van een octaëder besproken, die men, na toevoeging van enkele opgelegde eigenschappen, zichzelf kon laten kopiëren. In de geschreven thesis werd dit principe nagegaan en werd er naar een optimale manier gezocht om deze colloïdale zelfreplicatie te onderzoeken. Zo werd de recent ontwikkelde methode dissipatieve deeltjesdynamica (dewelke in de paper van Zeravcic en Brenner gebruikt wordt) vergeleken met moleculaire dynamica en een alternatieve methode gebaseerd op Langevindynamica. Hiervoor werd een code ontwikkeld waarin tetraëder- en octaëderstructuren in een fluïdum zichzelf kunnen kopiëren.
 Daarnaast bestudeerde men de statistische fysica achter het zelfreplicatiesysteem. Wiskundig werd aangetoond dat het macroscopische zelfreplicatieproces een extra voorwaarde aan de tweede wet van de thermodynamica oplegt. Men gaat na of het ontwikkelde colloïdale zelfreplicatiesysteem hier ook aan voldoet en in welke mate dit verschilt voor de verschillende computationele methodes.
 Uit het onderzoek bleek de Langevinmethode een goed alternatief voor de dissipatieve deeltjesdynamica. Zo is ze slechts een beetje minder accuraat, maar computationeel heel wat sneller. Zelfreplicatie gebeurde voor beide methoden even snel en aan de statistische formule werd telkens voldaan.