مطالعه‌ي‌‌ خصوصيات ساختاري و مكانيكي نانوساختارهاي مبتني بر زيست‌پليمرهاي نوكلئيك‌اسيد با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي و اجزاي محدود

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

نانوفناوري نوكلئيك‌اسيد، يكي از زيرشاخه‌هاي نانوزيست‌فناوري و يك راهبرد كارآمد و قابل كنترل براي سنتز انواع نانوساختارهاي زيستي با استفاده از مولكول‌هاي دي‌ان‌اي و آران‌اي است. نانوفناوري نوكلئيك‌اسيد نشان داده است كه با به‌كارگيري زيست‌پليمرهاي دي‌ان‌اي و آران‌اي و بر اساس خاصيت خودآرايي آن‌ها، مي‌توان نانوساختارهايي با ظرافت بالا ايجاد نمود. هدف مشخص اين پژوهش، مطالعه‌ي خصوصيات ساختاري و مكانيكي نانوساختارهاي مبتني بر زيست‌پليمرهاي نوكلئيك‌اسيد با به‌كارگيري شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي و اجزاي محدود است. مطالعه‌ي حاضر را مي‌توان به سه قسمت كلي تقسيم‌بندي نمود. قسمت اول پژوهش در مورد بررسي ديناميك ساختار اتمي و خواص مكانيكي نانولوله‌هاي مبتني بر دي‌ان‌اي، آران‌اي و هيبريد آران‌اي-دي‌ان‌اي به‌كمك شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي تعادلي و غيرتعادلي است. يكي از فرآورده‌هاي جذاب نانوفناوري نوكلئيك‌اسيد، نانولوله‌هاي مبتني بر اين زيست‌پليمرها است. با توجه به ساختار استوانه‌اي و نسبت ابعاد بالا، تاكنون در كاربردهاي عملي گوناگون مانند نانوحس‌گرهاي نيرويي، دارورساني و عضو سازنده‌ي نانوربات‌ها و نانوماشين‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. از بين انواع نانولوله‌هاي نوكلئيك‌اسيد، تاكنون ويژگي‌هاي ساختار داربستي و خواص مكانيكي نانولوله‌هاي هيبريد آران‌اي-دي‌ان‌اي مطالعه نشده است و در مورد اين خصوصيات براي نانولوله‌ي آران‌اي نيز اطلاعات محدودي دردسترس است. در اين مطالعه، پس از طراحي و ايجاد ساختار اتمي نانولوله‌ها، شبيه‌سازي تعادلي در حضور حلال آب و تحت ميدان نيرو امبر انجام گرفت. براي مطالعه‌ي ساختار نانولوله‌ها، تحليل‌هاي ديناميك مولكولي كلاسيك مانند ديناميك ساختار كلي، آنتروپي، پارامترهاي ميكروسكوپي ساختاري و ديناميك اساسي انجام شد. نتايج تحليل پارامترهاي ميكروسكوپي ساختاري، يك انتقال ساختاري از ساختار آ-شكل به يك ساختار بين آ- و بي-شكل را براي نانولوله‌ي هيبريد نشان داد. با استفاده از نوسانات حرارتي در نانولوله‌ها و قضيه‌ي همپاري انرژي، خواص مكانيكي نانولوله‌ها تخمين زده شد. نتايج نشان داد مدول يانگ نانولوله‌ي هيبريد (165 مگاپاسكال) و آران‌اي (144 مگاپاسكال) نزديك بهم و تقريباً نصف مدول يانگ نانولوله‌ي دي‌ان‌اي (325 مگاپاسكال) است. به‌منظور كسب درك عميقي از مكانيزم تغييرشكل و پاسخ مكانيكي نانولوله‌ها به تنش‌هاي كششي، شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي هدايت‌شده انجام شد. در اين شبيه‌سازي‌ها، انتقال ساختار نانولوله‌ها به فاز فوق‌كشيده، تغييرات پيوندهاي هيدروژني و انرژي‌هاي الكترواستاتيك و واندروالس با كرنش مكانيكي مورد ارزيابي قرار گرفت. يك چالش بزرگ در استفاده از نانوساختارهاي نوكلئيك‌اسيد، پايداري كم و خواص مكانيكي ضعيف آن‌ها است. بنابراين، بررسي هر عاملي كه موجب بهبود اين ويژگي‌ها شود، در كاربردهاي عملي حائز اهميت است. عوامل محيطي و ساختاري مي‌توانند در افزايش پايداري و خواص مكانيكي اين نانوساختارها نقش داشته باشند. يكي از عوامل محيطي كه در قسمت دوم اين مطالعه بررسي شد، يون‌هاي اطراف نانوساختارها است. تعدادي شبيه‌سازي ديناميك مولكولي تعادلي براي نانولوله¬ها در حضور مولكول‌هاي پلي‌آمين مختلف اجرا شد. سپس، تحليل‌هاي ديناميك مولكولي كلاسيك و خواص مكانيكي، مورد ارزيابي قرار گرفتند. نتايج نشان داد جذب پلي‌آمين‌ها و ايجاد پوششي از آن‌ها بر روي نانولوله‌ها، به‌طور قابل‌توجهي نوسانات ساختار اتمي نانولوله‌ها، به‌خصوص نانولوله‌ي آران‌اي را كاهش مي‌دهد. همچنين، به‌طور قابل‌توجهي، مدول يانگ نانولوله‌ها را افزايش مي‌دهد. در مقياس نانو، ابعاد و هندسه‌ي ساختارها مي‌توانند عوامل مؤثري در تعيين خواص مكانيكي آن‌ها باشند و بررسي دقيق اين تأثيرها، در طراحي و بهينه‌سازي نانوساختارها براي كاربردهاي مختلف مفيد است. با توجه به هزينه محاسبات بالاي ديناميك مولكولي تمام‌اتم، در اين مطالعه با اين روش فقط نانولوله‌هاي شش‌مارپيچ با طول كمتر از 20 نانومتر بررسي شد. براي ارزيابي نانوساختارهاي بزرگ‌تر، در قسمت سوم پژوهش، بر اساس شناخت حاصل‌شده از پيوندهاي مولكولي اين نانوساختارها در شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي، مدل‌هاي اجزاي محدود جديد توسعه داده شد. اين مدل‌ها، با هزينه محاسبات بسيار كمتر از ديناميك مولكولي و دقت بسيار بالا، خواص مكانيكي مولكول‌هاي دي‌ان‌اي و آران‌اي و نانوساختارهاي مبتني بر اين مولكول‌ها را نتيجه مي‌دهد. در مدل‌هاي اجزاي محدود، ستون‌فقرات و جفت‌بازهاي مولكول توسط جزءهاي تير تيموشنكوي سه‌بعدي و تعامل جفت‌بازهاي متوالي توسط جزء اتصال‌دهنده‌ي بوشينگ در نرم‌افزار آباكوس مدل شد.

234800

طراحي جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان