چكيده فارسي :
دروازههاي منطقي مولكولي بهعنوان يكي از ابزارهاي نوين در علوم شيمي و نانو فناوري ، توانستهاند جايگاه ويژهاي در حوزههايي مانند محاسبات مولكولي، حسگري شيميايي، دارورساني هدفمند و محاسبات زيستي پيدا كنند. اين ابزارها كه عملكرد آنها بر پايه واكنشهاي شيميايي و تغييرات فيزيكي مولكولها استوار است، امكان انجام عمليات منطقي مانند AND،ORو NOTرا در مقياس مولكولي فراهم ميكنند. با توجه به اهميت اين دروازهها در كاهش ابعاد سيستمهاي محاسباتي و افزايش كارايي آنها، اين پژوهش به بررسي نظري تأثير تغييرات ساختاري بر رفتار يك دروازه منطقي مولكولي خاص، بر پايه يك سوئيچ مولكولي شامل آنتراسن و بنزو-15-كرون-5 پرداخته است. در اين پژوهش، از روشهاي محاسباتي شامل نظريه تابعي چگالي (DFT) و نظريه تابعي چگالي وابسته به زمان (TD-DFT) استفاده شده است. تابع پايه مانند 6-311++G(d,p)و تابعي تبادلي-همبستگي M06-2X بهكار گرفته شدهاند تا ويژگيهاي الكتروني و نوري مولكول مورد مطالعه با دقت بالايي بررسي شوند. در ابتدا، خواص منطقي در مولكول اوليه(يك سوئيچ مولكولي آنتراسن و بنزو-15-كرون-5) بررسي شد . براي بررسي اين خواص مولكول در حالت پايه در فاز گازي بهينه شد و طيف جذبي آن و همچنين انتقالهاي اوربيتالي در دو خط اول و دوم جذبي بررسي گرديد. اوربيتال هاي مولكولي درگير در انتقالها از نظر توزيع چگالي بررسي شد و سپس مولكول در حالتبرانگيخته اول و دوم بهينه شد. با بررسي طول موج هاي نشر و مقايسه شدت نشرها، رفتار مولكول در حالت آزاد و درحضور يون هاي Na+ و H+ مورد بررسي قرارگرفت. مقايسه يافتهها محاسباتي با دادههاي تجربي صحت و دقت محاسبات را تاييد كرد. در ادامه، با ايجاد تغيير ساختاري از جمله ايجاد فاصله هاي مختلف بين فلوئورفور و گيرنده يون، رفتار مولكولهاي جديد بررسي شد. به عنوان مثال در يك نمونه افزودن يك گروه متيلن و دور كردن گيرنده يون از فلوئورفور باعث بهبود رفتار منطقي مولكول از جمله تغيير رنگ واضح تر و بيشتر تغييرشدت نور ، شد. در ادامه خاصيت انتقال الكترون فوتوالقائي(PET) براي مولكول اوليه و نيز تمام ساختارهاي جديد بررسي شده به اين صورت كه انتقال هاي جذبي و توزيع چگالي الكترون در اوبيتال هاي درگير در انتقال بررسي شده و امكان يا عدم امكان PET بررسي گرديد. به عنوان مثال، اگر انتقالي از اوربيتال HOMO-1 به اوربيتال LUMO صورت گيرد، باتوجه به كمتر بودن انرژي اوربيتال HOMO، امكان انتقال الكترون از اوربيتال HOMO به اوربيتال HOMO-1 وجود دارد كه نتيجه آن وقوع PET و مسدود شدن فلوئورسانس است. اين خاصيت نيز براي تمام ساختارها بررسي شد. در نتيجه، براي بررسي اينكه يك مولكول رفتار منطقي فلوئورسانس دارد، بايد نشر فلوئورسانس و عوامل مسدود كردن فلوئورسانس بررسي شود. تمام شبيه سازي هاي انجام شده در حالتهاي مختلف، يك پايگاه داده مفيد براي آموزش شبكه عصبي آگاه از فيزيك فراهم ميكند كه با استفاده از معادلات حاكم و نتايج محاسبات به دست آمده ميتواند هوش مصنوعي در جهت كاهش زمان محاسبات ايجاد. معماري پيشنهادي براي اين شبكه عصبي ميتواند، وروديهايي شامل ساختارهاي بيهنه شده پايه و برانگيخته(طول پيوندها، زواياي پيوندي...) و خروجيهايي مانند مدل دروازه ايجاد شده (OR,AND,…) يا نتايج محاسبات باشد.
چكيده انگليسي :
Molecular logic gates, one of the novel tools in chemistry and nanotechnology, have found a special place in fields such as molecular computing, chemical sensing, drug delivery, and biological computing. These tools, which operate based on chemical reactions and physical changes in molecules, enable logical operations such as AND, OR, and NOT at the molecu-lar scale. Given the importance of these gates in reducing the size of computational systems and increasing their efficiency, this research theoretically studied the impact of structural changes on the behavior of a specific molecular logic gate based on a molecular switch in-cluding anthracene and benzo-15-crown-5. Computational methods including Density Functional Theory (DFT) and Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) were used in this research. Basis sets such as 6-311++G(d,p) and exchange-correlation functional M06-2X were employed to examine the electronic and optical properties of the studied molecule with high accuracy. Initially, the logical properties of the initial molecule (a mo-lecular switch based on anthracene and benzo-15-crown-5) were examined. For this pur-pose, the molecule was optimized in the ground state in the gas phase, and its absorption spectrum and orbital transitions in the first and second absorption lines were examined. The molecular orbitals involved in the transitions were analyzed regarding density distribution, and then the molecule was optimized in the first and second excited states. By examining the emission wavelengths and comparing the emission intensities, the behavior of the mole-cule in the free state and in the presence of Na⁺ and H⁺ ions was investigated. The compari-son of computational findings with experimental data confirmed the accuracy and precision of the calculations. Subsequently, by making structural changes, such as creating various distances between the fluorophore and the ion receptor, the behavior of the new molecules was examined. For example, in one case, adding a methylene group and distancing the ion receptor from the fluorophore improved the logical behavior of the molecule, including a more pronounced color change and increased light intensity change. Furthermore, the prop-erty of photoinduced electron transfer (PET) was examined for the initial molecule and all new structures, in such a way that the absorption transitions and electron density distribu-tion in the involved orbitals were examined, and the possibility or impossibility of PET was assessed. For example, if a transition occurs from the HOMO-1 orbital to the LUMO or-bital, considering the lower energy of the HOMO orbital, electron transfer from the HO-MO orbital to the HOMO-1 orbital is possible, resulting in PET occurrence and fluores-cence quenching. This property was examined for all structures. Therefore, to determine if a molecule exhibits logical fluorescence behavior, fluorescence emission, and fluorescence quenching factors must be examined. All simulations performed in various states provide a useful database for training a physics-aware neural network that can create artificial intelli-gence to reduce computation time using governing equations and obtain computation re-sults. The proposed architecture for this neural network can include inputs such as opti-mized ground and excited state structures (bond lengths, bond angles, etc.) and outputs such as the generated gate model (OR, AND, etc.) or computation results.
