Введение к работе
Актуальность. Настоящая работа посвящена новому направлению современной науки – мезоскопической физике, которая изучает специфические свойства, закономерности поведения и применения мезоскопических объектов, к которым относятся нанокластеры (нанокомплексы), ансамбли наночастиц, наносистемы. Мезообъекты занимают промежуточную область между микроскопическими и макроскопическими масштабами, т.е. относятся к размерному диапазону от десятков до сотен нм. Область от одного нм до десятков нм занимают отдельные наночастицы и нанокластеры, в некоторых работах весь диапазон от одного нм до нескольких сотен нм относят к мезообъектам. Интересно, что некоторые вирусы имеют размеры порядка 10 нм, а многие молекулы белков, некоторых полимеров – несколько нм. Использование мезо- и нанообъектов привело к развитию новых технологий, открывающих фантастические возможности для человечества.
Мезо- и нанообъекты представляют собой практический и научно-исследовательский интерес. В настоящее время, например, широким фронтом проводятся работы по получению новых материалов со специфическими заданными свойствами путем внедрения наночастиц в структуру вещества. Эксперименты в этой области показывают зависимость физических свойств от размеров наночастиц и нанокластеров (нанокомплексов), но причины этой зависимости не выявлены, и не решен вопрос об универсальности этой зависимости. В последние годы широкое распространение в научной литературе получил термин «кластер» (комплекс), который подразумевает особое состояние вещества, промежуточное между отдельными молекулами и конденсированным состоянием.
Предполагается, что изучение нанокластерных систем может обнаружить новые фундаментальные свойства веществ. Кластеры (комплексы) рассматривают как стабильные системы, содержащие конечное число частиц, определяемые внутренними координатами, вдоль которых энергия диссоциации меньше, а равновесные расстояния больше, чем у молекул. Экспериментальные исследования показали, что свойства кластеров зависят от межмолекулярных взаимодействий и взаимодействия кластера с матрицей, от состояния поверхности. Особый интерес представляют бионанокластеры переходных металлов (d – металлов), которые участвуют во всех процессах жизнедеятельности. Специфические особенности структуры, свойств всех видов кластеров и функционирование бионаноклатеров привлекают внимание исследователей самых разных направлений и определяются, с одной стороны, квантовыми эффектами, а с другой стороны, волновыми свойствами перемещающихся электронов.
Необходимо также отметить, что за последние десять лет получили развитие новые нанонаправления: молекулярные нанотехнологии и биоинформатика, которые занимаются конструированием наномашин из белковых и полимерных фрагментов, решением молекулярно-биологических задач. Исследование функционирования биологически-активных нанокластеров дает возможность предполагать, что подобные системы в будущем могут использоваться как естественные наномашины.
Анализ исследований в этой области мезоскопической физики показал, что изучение нано- и мезообъектов требует комплексного подхода: применение методов математического и компьютерного моделирования, современных экспериментальных методов, например, методов СЗМ – сканирующей зондовой микроскопии. Подобный подход демонстрируется в настоящей работе.
Целью работы являлось исследование взаимосвязи структуры и функциональных свойств для бионанокластеров и некоторых видов полимеров с использованием двух подходов: квантово-химического и молекулярно графового для полимеров, экспериментальное исследование поверхности ансамблей бионанокластеров.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
моделирование электронной структуры активных центров на основе квантово-химических методов;
-
анализ взаимосвязи структура-функциональные свойства на основе полученных моделей;
-
отработка методик визуализации нанообъектов для экспериментального исследования;
-
проведение экспериментального исследования поверхности ансамбля нанокомплексов на примере пероксидазы методом зондовой микроскопии;
-
анализ современного состояния теоретико-графовых исследований взаимосвязи структура-свойство;
-
проведение вычислительного эксперимента по расчету топологических индексов связанности ряда виниловых полимеров, используемых в качестве модельных объектов, и биополимеров;
-
построение корреляционных зависимостей между топологическими индексами связанности и свойствами рассматриваемых соединений.
Методы исследования. Для моделирования электронной структуры активных центров используется комплекс теоретических подходов: квантово-химическая теория поля лигандов, теория симметрии и теория групп; для вычислительного эксперимента по изучению взаимосвязи «структура-свойство» полимеров – теоретико-графовый подход. Экспериментальные исследования поверхности бионанокластеров проводились методом СЗМ на примере пероксидазы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
впервые разработаны модели электронной структуры активных центров медь- и цинк содержащих бионанокластеров на основе теории поля лигандов, теории симметрии и теории групп;
-
проведен анализ взаимосвязи «структура-функциональные свойства» на основе полученных моделей;
-
проведена отработка методики визуализации исследуемых нанообъектов для использования метода СЗМ (сканирующей зондовой микроскопии);
-
разработана модификация топологического метода Бицерано; топологических индексов для рассматриваемых видов полимеров;
-
в результате вычислительного эксперимента показано, что полученные корреляционные зависимости являются четко выраженными корреляциями между топологическими индексами связанности;
-
работу можно отнести к новому направлению конвергенции технологий, т.е. синергизму нанонауки, биотехнологии, информационных технологий.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные модели электронной структуры активных центров дают возможность выяснить взаимосвязь «структура-функциональные свойства», которая позволяет объяснить и выделить универсальность наномеханизма функционирования. Полученная информация может быть использована в наномедицине, в молекулярных нанотехнологиях при создании наномашин. Результаты исследования взаимосвязи «структура – свойство» для виниловых полимеров и биополимеров можно использовать для составления базы данных по аналогичным соединениям, для корреляции конкретных физико-химических свойств с топологическими индексами связанности.
Полученные в работе корреляционные зависимости позволяют с достаточной точностью предсказывать свойства полимеров, что очень важно для практического использования виниловых полимеров, являющихся основой для синтеза большого количества веществ с заранее заданными свойствами, различных пластмасс, клеев, строительных материалов. Кроме того, по своим конформационным особенностям виниловые полимеры напоминают строение белков и поэтому они были выбраны как модельные системы, что дало возможность провести вычислительный эксперимент для биополимеров.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
1-4. Междисциплинарных научных конференциях «Идеи синергетики в естественных науках» - вторые, третьи, четвертые и пятые юбилейные Курдюмовские чтения. Тверь, 2006, 2007, 2008 и 2009 г.
5. Третья Международная конференция ИНТЕРНАС’07 «Актуальные проблемы современного естествознания», Калуга, 2007 г.
6. 14-я Международная научная конференция «Математика. Компьютер. Образование.», Пущино, 2007.
7. Международная научная конференция «Моделирование нелинейных процессов и систем», Москва, 2008.
8. 15-я Международная научная конференция «Математика. Компьютер. Образование.» Пущино, 2009.
Публикации по теме диссертации. Опубликовано 7 работ, в том числе четыре публикации – материалы международной, междисциплинарной конференции «Идеи синергетики в естественных науках», одно учебное пособие, две работы в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 115 листах машинописного текста и включает 40 рисунок и 10 таблиц.
