شماره راهنما :
2372 دكتري
پديد آورنده :
تركان، احسان
عنوان :
مطالعهي خصوصيات ساختاري و مكانيكي نانوساختارهاي مبتني بر زيستپليمرهاي نوكلئيكاسيد با استفاده از شبيهسازيهاي ديناميك مولكولي و اجزاي محدود
گرايش تحصيلي :
طراحي جامدات
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
هفده، 166ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
نانوساختارهاي نوكلئيكاسيد , روش ديناميك مولكولي , روش اجزاي محدود , پايداري ساختاري , خواص مكانيكي
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/06/22
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/06/26
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Nucleic acid nanotechnology is a category of nanobiotechnology that employs DNA and RNA molecules to synthesize a variety of biological nanostructures in an efficient and controlled manner. The primary goal of this work is to investigate the structural and mechanical characteristics of nanostructures made of nucleic acid biopolymers utilizing molecular dynamics (MD) simulations and finite element (FE) modeling. The current research may be classified into three parts. The first portion of the research focuses on the dynamics of the atomic structure and mechanical characteristics of DNA nanotubes, RNA nanotubes, and RNA-DNA hybrid nanotubes, utilizing equilibrium and non-equilibrium MD simulations. After building the atomic structure of the nanotubes, equilibrium simulations were carried out in the presence of the water solvent. The structural microscopic parameter analysis revealed that the hybrid nanotubes underwent a structural transition from the A-form structure to a structure between the A- and B-forms. Thermal fluctuations in the nanotubes and the energy equipartition theorem were used to evaluate the nanotube mechanical properties. The findings indicated that the Young’s modulus of the hybrid nanotubes (165 MPa) and RNA (144 MPa) were similar and about half of the Young’s modulus of the DNA nanotube (325 MPa). To get a thorough knowledge of the deformation process and mechanical response of nanotubes to tensile loads, steered MD simulations were carried out. The limited stability and poor mechanical characteristics of nucleic acid nanostructures pose significant challenges in their use. As a result, researching any aspect that increases these characteristics is critical for practical applications. Several equilibrium MD simulations of nanotubes were carried out in the presence of various polyamine molecules. The findings demonstrated that polyamine adsorption considerably reduces nanotube fluctuations and improves their mechanical characteristics. In the last portion of the study, new finite element models were built based on the chemical bonds of these nanostructures discovered by MD simulations. The backbone and base-pairing interactions were modeled using 3D Timoshenko beam elements, while the base-stacking interactions were represented using bushing connectors in the ABAQUS software. The results demonstrated that the FE models accurately approximated the molecules’ length-dependent mechanical characteristics. In the following stage of this study, FE simulations were used to evaluate the mechanical characteristics of DNA and RNA nanotubes of various lengths and diameter. In addition, the impact of numerous structural parameters such as the number of crossovers, genome sequencing, and nick defects was studied.
استاد راهنما :
مهدي سلماني تهراني
استاد مشاور :
محمد سيلاني
استاد داور :
رضا انصاري , سعيد ضيائي راد , مهدي جوان بخت
