چکیده
نانوفناوری نوکلئیک اسید، یکی از زیرشاخههای نانوزیست فناوری و یک راهبرد کارآمد و قابل کنترل برای سنتز انواع نانوساختارهای زیستی با استفاده از مولکولهای دی ان ای و آران ای است. نانوفناوری نوکلئیک اسید نشان داده است که با به-کارگیری زیستپلیمرهای دی ان ای و آران ای 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 نوکلئیک اسید با به کارگیری شبیهسازیهای دینامیک مولکولی و اجزای محدود است. مطالعهی حاضر را میتوان به سه قسمت کلی تقسیمبندی نمود. قسمت اول پژوهش در مورد بررسی دینامیک ساختار اتمی و خواص مکانیکی نانولولههای مبتنی بر دی-انای، آرانای و هیبرید آرانای-دیانای به کمک شبیه سازیهای دینامیک مولکولی تعادلی و غیرتعادلی است. یکی از فرآورده-های جذاب نانوفناوری نوکلئیک اسید، 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 نانولوله های نوکلئیک اسید، تاکنون ویژگیهای ساختار داربستی و خواص مکانیکی نانولولههای هیبرید آران ای-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-شکل به یک ساختار بین آ- و بی-شکل را برای نانولولهی هیبرید نشان داد. با استفاده از نوسانات حرارتی در نانولولهها و قضیه ی همپاری انرژی، خواص مکانیکی نانولولهها تخمین زده شد. نتایج نشان داد مدول یانگ نانولولهی هیبرید (165 مگاپاسکال) و آران ای (144 مگاپاسکال) نزدیک بهم و تقریبا 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 هدایت شده انجام شد. در این شبیهسازیها، انتقال ساختار نانولولهها به فاز فوق کشیده، تغییرات پیوندهای هیدروژنی و انرژیهای الکترواستاتیک و واندروالس با کرنش مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. یک چالش بزرگ در استفاده از نانوساختارهای نوکلئیک اسید، 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 مولکول-های 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 قابل توجهی نوسانات ساختار اتمی نانولوله ها، بهخصوص نانولولهی آرانای را کاهش میدهد. همچنین، بهطور قابلتوجهی، مدول یانگ نانولولهها را افزایش میدهد. در مقیاس نانو، ابعاد و هندسهی ساختارها می توانند عوامل مؤثری در تعیین خواص مکانیکی آن ها باشند و بررسی دقیق این تأثیرها، در طراحی و بهینه سازی نانوساختارها برای کاربردهای مختلف مفید است. با توجه به هزینه محاسبات بالای دینامیک مولکولی تماماتم، در این مطالعه با این روش فقط نانولوله های شش مارپیچ 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 شبیه-سازیهای 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 آران ای و نانوساختارهای مبتنی بر این مولکولها را نتیجه میدهد.
واژگان کلیدی: نانوساختارهای نوکلئیک اسید، روش دینامیک مولکولی، روش اجزای محدود، پایداری ساختاری، خواص مکانیکی.