جلسه دفاع پژوهشی 2 (آقای احسان ترکان)
موضوع: مطالعه‌ی خصوصیات ساختاری و مکانیکی نانوساختارهای مبتنی بر زیست‌پلیمرهای نوکلئیک‌اسید با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی و اجزای محدود
ارائه دهنده: احسان ترکان
استادان راهنما: دکتر مهدی سلمانی تهرانی
استادان مشاور: دکتر محمد سیلانی
استادان داور: دکتر سعید ضیایی راد، دکتر مهران مرادی، دکتر رضا انصاری
نانوفناوری نوکلئیک‌اسید، یکی از زیرشاخه‌های نانوزیست‌فناوری و یک راهبرد کارآمد و قابل کنترل برای سنتز انواع نانوساختارهای زیستی با استفاده از مولکول‌های دی‌ان‌ای و آران‌ای است. نانوفناوری نوکلئیک‌اسید نشان داده است که با به‌کارگیری زیست‌پلیمرهای دی‌ان‌ای و آران‌ای و بر اساس خاصیت خودآرایی آن‌ها، می‌توان نانوساختارهایی با ظرافت بالا ایجاد نمود. هدف مشخص این پژوهش، مطالعه‌ی خصوصیات ساختاری و مکانیکی نانوساختارهای مبتنی بر زیست‌پلیمرهای نوکلئیک‌اسید با به‌کارگیری شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی و اجزای محدود است. مطالعه‌ی حاضر را می‌توان به سه قسمت کلی تقسیم‌بندی نمود. قسمت اول تحقیق در مورد بررسی دینامیک ساختار اتمی و خواص مکانیکی نانولوله‌های مبتنی بر دی‌ان‌ای، آران‌ای و هیبرید آران‌ای-دی‌ان‌ای به‌کمک شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی تعادلی و غیرتعادلی است. یکی از فرآورده‌های جذاب نانوفناوری نوکلئیک‌اسید، نانولوله‌های مبتنی بر این زیست‌پلیمرها است. با توجه به ساختار استوانه‌ای و نسبت ابعاد بالا، تاکنون در کاربردهای عملی گوناگون مانند نانوحس‌گرهای نیرویی، دارورسانی و عضو سازنده‌ی نانوربات‌ها و نانوماشین‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. از بین انواع نانولوله‌های نوکلئیک‌اسید، تاکنون ویژگی‌های ساختار داربستی و خواص مکانیکی نانولوله‌های هیبرید آران‌ای-دی‌ان‌ای مطالعه نشده است و در مورد این خصوصیات برای نانولوله‌ی آران‌ای نیز اطلاعات محدودی دردسترس است. در این مطالعه، پس از طراحی و ایجاد ساختار اتمی نانولوله‌ها، شبیه‌سازی تعادلی در حضور حلال آب و تحت میدان نیرو امبر انجام گرفت. برای مطالعه‌ی ساختار نانولوله‌ها، تحلیل‌های دینامیک مولکولی کلاسیک مانند دینامیک ساختار کلی، آنتروپی، پارامترهای میکروسکوپی ساختاری و دینامیک اساسی انجام شد. نتایج تحلیل پارامترهای میکروسکوپی ساختاری، یک انتقال ساختاری از ساختار آ-فرم به یک ساختار بین آ- و بی-فرم را برای نانولوله‌ی هیبرید نشان داد. با استفاده از نوسانات حرارتی در نانولوله‌ها و قضیه‌ی همپاری انرژی، خواص مکانیکی نانولوله‌ها تخمین زده شد. نتایج نشان داد مدول یانگ نانولوله‌ی هیبرید (165 مگاپاسکال) و آران‌ای (144 مگاپاسکال) نزدیک بهم و تقریباً نصف مدول یانگ نانولوله‌ی دی‌ان‌ای (325 مگاپاسکال) است. به‌منظور کسب درک عمیقی از مکانیزم تغییرشکل و پاسخ مکانیکی نانولوله‌ها به تنش‌های کششی، شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی هدایت‌شده انجام شد. در این شبیه‌سازی‌ها، انتقال ساختار نانولوله‌ها به فاز فوق‌کشیده، تغییرات پیوندهای هیدروژنی و انرژی‌های الکترواستاتیک و واندروالس با کرنش مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. یک چالش بزرگ در استفاده از نانوساختارهای نوکلئیک‌اسید، پایداری کم و خواص مکانیکی ضعیف آن‌ها است. بنابراین، بررسی هر عاملی که موجب بهبود این ویژگی‌ها شود، در کاربردهای عملی حائز اهمیت است. عوامل محیطی و ساختاری می‌توانند در افزایش پایداری و خواص مکانیکی این نانوساختارها نقش داشته باشند. یکی از عوامل محیطی که در قسمت دوم این مطالعه بررسی شد، یون‌های اطراف نانوساختارها است. تعدادی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تعادلی برای نانولوله‌ها در حضور مولکول‌های پلی‌آمین مختلف اجرا شد. سپس، تحلیل‌های دینامیک مولکولی کلاسیک و خواص مکانیکی، مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد جذب پلی‌آمین‌ها و ایجاد پوششی از آن‌ها بر روی نانولوله‌ها، به‌طور قابل‌توجهی نوسانات ساختار اتمی نانولوله‌ها، به‌خصوص نانولوله‌ی آران‌ای را کاهش می‌دهد. همچنین، به‌طور قابل‌توجهی، مدول یانگ نانولوله‌ها را افزایش می‌دهد. در مقیاس نانو، ابعاد و هندسه‌ی ساختارها می‌توانند عوامل موثری در تعیین خواص مکانیکی آن‌ها باشند و بررسی دقیق این تأثیرها، در طراحی و بهینه‌سازی نانوساختارها برای کاربردهای مختلف مفید است. با توجه به هزینه محاسبات بالای دینامیک مولکولی تمام‌اتم، در این مطالعه با این روش فقط نانولوله‌های شش‌مارپیچ با طول کمتر از 20 نانومتر بررسی شد. برای ارزیابی نانوساختارهای بزرگ‌تر، در قسمت سوم پژوهش، بر اساس شناخت حاصل‌شده از پیوندهای مولکولی این نانوساختارها در شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، مدل‌های اجزای محدود جدید توسعه داده شد. این مدل‌ها، با هزینه محاسبات بسیار کمتر از دینامیک مولکولی و دقت بسیار بالا، خواص مکانیکی مولکول‌های دی‌ان‌ای و آران‌ای و نانوساختارهای مبتنی بر این مولکول‌ها را نتیجه می‌دهد. در مدل‌های اجزای محدود، ستون‌فقرات و جفت‌بازهای مولکول توسط جزءهای تیر تیموشنکوی سه‌بعدی و تعامل جفت‌بازهای متوالی توسط جزء اتصال‌دهنده‌ی بوشینگ در نرم‌افزار آباکوس مدل شد. خواص الاستیک ستون‌فقرات با برازش منحنی نیرو-جابه‌جایی به‌دست‌آمده از حل دقیق کشش ستون‌فقرات مارپیچ بر نتایج حاصل از کشش ستون‌فقرات در روش دینامیک مولکولی، حاصل شد. همچنین، خواص الاستیک تیرهای معادل جفت‌بازها و جزءهای اتصال‌دهنده‌ی بوشینگ، بر اساس نوسانات حرارتی پارامترهای مورفولوژی بازهای آلی و قضیه‌ی همپاری انرژی محاسبه گردید. برنامه‌ای در نرم‌افزار متلب تدوین شد که با خواندن مدل تمام‌اتم نانوساختار نوکلئیک‌اسید، مدل اجزای محدود آن را برای نرم‌افزار آباکوس ایجاد می‌کند. برای تأیید صحت و دقت مدل‌های اجزای محدود، خواص مکانیکی مولکول‌های دورشته‌ای دی‌ان‌ای و آران‌ای با طول‌های مختلف تحت بارگذاری‌های کششی، خمشی و پیچشی محاسبه و با نتایج آزمایش‌های تجربی و دینامیک مولکولی تمام‌اتم موجود در مطالعات گذشته مقایسه شد. نتایج نشان داد که مدل‌های اجزای محدود، با دقت بسیار بالا خواص وابسته به طول مولکول‌ها را تقریب می‌زند. در ادامه تحقیق، خواص مکانیکی نانولوله‌های دی‌ان‌ای و آران‌ای با طول و قطر مختلف و همچنین، شبکه‌های دوبعدی مبتنی بر دی‌ان‌ای با استفاده از شبیه‌سازی‌های اجزای محدود مطالعه خواهد شد. همچنین، تأثیر عوامل ساختاری مختلف مانند نقص شکاف و درصد فراوانی انواع جفت‌بازها بر خواص مکانیکی این قبیل نانوساختارها نیز بررسی خواهد شد.