Nucleation dynamics of a model biomolecular liquid

成核 动力学(音乐) 统计物理学 物理 热力学 声学
作者
Sam Wilken,Juan Carlos Gutiérrez,Omar A. Saleh
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (21) 被引量:11
标识
DOI:10.1063/5.0204125
摘要

Liquid-liquid phase separation in biology has recently been shown to play a major role in the spatial control of biomolecular components within the cell. However, as they are phase transitions, these processes also display nontrivial dynamics. A model phase-separating system of DNA nanostars provides unique access to nucleation physics in a biomolecular context, as phase separation is driven near room temperature by highly thermo-responsive DNA hybridization and at modest DNA concentrations. By measuring the delay time for phase-separated droplets to appear, we demonstrate that the dynamics of DNA nanostar phase separation reflect that of a metastable binary mixture of patchy particles. For sufficiently deep temperature quenches, droplets undergo spinodal decomposition and grow spontaneously, driven by Brownian motion and coalescence of phase-separated droplets, as confirmed by comparing experimental measurements to particle-based simulations. Near the coexistence boundary, droplet growth slows substantially, indicative of a nucleation process. The temperature dependence of droplet appearance times can be predicted by a classical nucleation picture with mean field exponents and demonstrates that a theory previously used to predict equilibrium phase diagrams can also distinguish spinodal and nucleation dynamical regimes. These dynamical principles are relevant to behaviors associated with liquid-liquid phase separating systems, such as their spatial patterning, reaction coupling, and biological function.
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