شکل(۳-۲): تقریب قطع کروی برای محاسبه ی نیروهای کوتاه برد در دو بعد……………………….۵۹
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل(۳-۳): محاسبه ی نیرو های بلند برد…………………………………………………………………………۶۰
شکل(۴-۱): پتانسیل لنارد-جونز………………………………………………………………………………………۷۰
شکل(۵-۱): سیستم شامل: آب، پروتئین و گرافن…………………………………………………………………۷۶
شکل(۵-۲): اتم کربن حلقه فنیل……………………………………………………………………………………..۷۷
شکل(۵-۳): حالت اولیه سیستم شبیه سازی بعد از تعادل گرمایی t=0………………………………….79
شکل(۵-۴): حالت نهایی سیستم شبیه سازی در t=2ns………………………………………………………79
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول(۲-۱): پارامترهای مرتبط با مدلهای سه نقطه ای آب…………………………………………………۴۸
جدول( ۴-۱): ضرایب پتانسیل ترسوف برای اتم کربن……………………………………………………….۶۸
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار(۵-۱): دما بر حسب زمان در محیط آبی…………………………………………………………………..۸۰
نمودار(۵-۲): دما بر حسب زمان در محیط بدون آب…………………………………………………………..۸۱
نمودار(۵-۳): فشار بر حسب زمان در محیط آبی…………………………………………………………………۸۲
نمودار(۵-۴): چگالی بر حسب زمان در محیط آبی………………………………………………………………۸۳
نمودار(۵-۵): تغییرات شعاع ژیراسیون بر حسب زمان در محیط آبی………………………………………۸۵
نمودار(۵-۶): تغییرات شعاع زیراسیون در محیط بدون آب…………………………………………………….۸۶
نمودار(۵-۷): کاهش ارتفاع بر حسب کاهش انرژی برهمکنشی واندروالسی…………………………….۸۷
نمودار(۵-۸): تغییرات انرژی برهمکنشی واندروالسی بر حسب زمان……………………………………..۸۸
نمودار(۵-۹): تغییرات فاصله پروتئین بر حسب زمان…………………………………………………………..۸۹
نمودار(۵-۱۰): فاصله اسیدآمینه ها از سطح گرافن بر حسب زمان…………………………………………۹۰
نمودار(۵-۱۱): مسیر حرکت پروتئین در فضای بالای گرافن در حضور آب……………………………۹۱
نمودار(۵-۱۲): نمودار مربوط به این بررسی در محیط بدون آب می باشد……………………………..۹۲
چکیده فارسی
در این پژوهش حرکت پروتئین در حضور گرافن به روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم شامل یک پروتئین و یک گرافن است که درون جعبه ای قرار گرفته اند. پتانسیل های مناسبی برای بر همکنش های بین مولکولی، از جمله پتانسیل ترسوف و میدان نیروی چارم استفاده شده است. در این تحقیق نشان داده شده است که پروتئین می تواند در روی سطح گرافن مقید شود. در این پایان نامه به بررسی انرژی بر هم کنشی واندروالسی بین پروتئین و گرافن پرداختیم و نشان دادیم که انرژی واندروالسی با کاهش فاصله پروتئین از گرافن کاهش می یابد که این می تواند دلیلی بر مقید شدن پروتئین به گرافن باشد. شعاع ژیراسیون پروتئین، آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه پروتئین، مساحتی که پروتئین بیشترین زمان را روی سطح گرافن می گذارد، از کمیت های دیگری است که به آنها پرداخته شده است. یافته هایی که به دست می آیند در حوزه پزشکی و زیست مولکولی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
پیشگفتار
اخیراً برهمکنش گرافن عامل دار با چند نوع آنزیم مورد بررسی قرار گرفته است. عامل دار کردن گرافن موجب شد تا پایداری گرمایی و عملکرد آنزیم ها بهبود یابد. این یافته هم در صنعت و هم حوزه زیست مولکولی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی از حوزه های کاری در نانو زیست فناوری، طراحی و ساخت نانو مواد برای استفاده در زیست شناسی است. تاکنون گزارش های متعددی از اثر نانو مواد روی بافت ها، سلول ها و زیست مولکول ها منتشر شده است که مکانیسم این تاثیرات غالباً شناخته شده نیست. بنابراین لازم است تا برهمکنش میان نانو مواد و زیست مولکول ها مورد بررسی قرار گیرد. آنزیم ها نوعی از زیست مولکول ها هستند که واکنش های زیستی را مدیریت می کنند. آنچه اکنون مورد توجه پژوهشگران بوده است تنظیم فعالیت و پایداری آنزیم ها است. درسال های اخیر تنظیم کننده های آنزیمی مختلفی از پروتئین ها گرفته تا پپتیدها و مولکول های آلی سنتزی کشف شده است که به نظر می رسد نانو مواد می توانند به عنوان جایگزینی برای این تنظیم کننده ها باشد.از طرف دیگر شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های ابعاد کوچک که شامل مولکول های زیستی هستند، اهمیت زیادی در علم نانو، بیوفیزیک و بیوشیمی دارند. در این پایان نامه سعی خواهیم کرد به بررسی دینامیک پروتئین آنتی میکروبیال(۲OTQ) در مجاورت گرافن و آب با بهره گرفتن از شبیه­سازی دینامیک مولکولی (MD) بپردازیم این پروتئین در طول شبیه سازی اثرات جالبی از خود نشان می دهد.
تبیین مسئله
در این پایان نامه حرکت و دینامیک پروتئین در سطح گرافن را یکبار در محیط آبی و یکبار هم در محیط بدون آب شبیه سازی کرده ایم. این مسئله با بهره گرفتن از دینامیک مولکولی شبیه سازی شده است. در اینجا سیستم شبیه سازی حاوی یک گرافن، یک پروتئین و مقداری آب است که در یک جعبه ی مکعبی شکل قرار دارند. بررسی ها در راستای محور z انجام شده است. پروتئین و گرافن را در داخل جعبه شبیه سازی قرار داده می شوند. سپس یکبار تعداد زیادی مولکول آب تقریبآ(۶۰۰۰) را در این جعبه قرار داده تا مولکول های پروتئین و گرافن در داخل آب قرار بگیرند. تعداد این مولکول های آب بستگی به ابعاد جعبه، گرافن و پروتئین دارد و بعد برهمکنش را بررسی می شود. بار دوم برهمکنش پروتئین و آب را در محیط بدون آب بررسی شده و بعد پتانسیل ها را تعریف می شود. بعد سیستم تحت تاثیر این پتانسیل ها و نیروهایی که وارد می شود شروع به حرکت می کند. در حین حرکت مولکول ها خواص ترمودینامیکی و هندسی مسئله را حساب کرده و بصورت خروجی دریافت می شود. نرم افزاری که این شبیه سازی را با آن انجام شده لمپس^۱[۱] بوده و از کد C++نیز استفاده شده است. پروتئینی که در این پایان نامه استفاده شده (۲OTQ) می باشد. سایز این پروتئین کوچک و دارای طول شش رزیجو است. تعداد اتم های موجود در این پروتئین در حدود ۱۴۳ اتم می باشد. این پروتئین دارای خاصیت ضد باکتری و ضدمیکروب است و معروف به آنتی میکروبیال می باشند. از میدان نیرویی(میدان نیروی چارم^۲۲۷) [۲و۳] که مخصوص پروتئین ها است نیز استفاده شده است. توضیحات کامل این میدان نیرو در فصل ۴ آورده شده است [۱۲و۴و۸] .

1. 1. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator

۲.CHARMM27 (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)
اما گرافن نیز در این سیستم وجود دارد که دارای ۱۰۰۸ عدد اتم کربن می باشد و اما پتانسیل سه جسمی ترسوف^۳[۴و۵] نیز برای برهمکنش های اتم های کربن گرافن با خودش در نظر گرفته شده است. این پتانسیل در فصل ۴ توضیح داده شده است. این برهمکنش دوبار بررسی شده است یکبار در محیط آبی و بار دیگر محیط بدون آب. بنابراین لازم می باشد که به توضیح این مولکول نیز پرداخته شود که در فصل ۲ به آن پرداخته شده است. آب دارای مدل های گوناگون می باشد دراین برهمکنش از مدل(TIP3P)[6و۷] استفاده شده است.
اهمیت موضوع
گرافن یک مولکول نانویی می باشد و از جمله نانو مواد محسوب می شود و نانو مواد می توانند به عنوان جایگزینی برای تنظیم کننده های آنزیمی مختلف از پروتئین ها گرفته تا پپتیدها باشند. گروه بزرگی از آنزیم ها در صنعت و پزشکی کاربرد دارند. از طرف دیگر فناوری نانو یکی از آخرین دستاوردهای علمی است. طبق بررسی ها، فناوری نانو از جمله موارد رو به گسترش و مورد توجه اجتماعی- اقتصادی است. بحث هایی کم و بیش در زمینه کاربرد این نوع فناوری چه منتقدانه و یا طرفدارانه وجود دارد و چون پروتئین های ضد میکروب تمایل زیادی به اتصال به رشته های باکتریایی مهم را دارند می توان استفاده پزشکی آنها را نیز مد نظر قرار داد و نکته دیگر اینکه انواع مختلفی از آنها را می توان در طبیعت پیدا کرد.
در فصل اول این پایان نامه به بررسی ویژگی های گرافن، ساختار، تاریخچه، روش های تولید، خواص و کاربردهای گرافن پرداخته شده است.
۳.Tersoff
در فصل دوم ویژگی های اسید آمینه ها که ساختار پروتئین ها را تشکیل می دهند را بررسی خواهیم کرد و در ادامه به توضیح چند مدل از آب که در شبیه سازی می توان استفاده کرد خواهیم پرداخت.
در فصل سوم به دینامیک مولکولی خواهیم پرداخت شبیه سازی دینامیک مولکولی روشی مناسب برای مدل سازی میکروسکوپی در مقیاس اتمی و مولکولی فراهم می کند.
در فصل چهارم نرم افزار ها و پتانسیل هایی را که استفاده کرده ایم، را توضیح خواهیم داد. در اینجا ابتدا پتانسیل ترسوف و لنارد-جونز [۸] و میدان نیروی چارم ۲۷ را توضیح می دهیم و بعد نرم افزار لمپس را که برای شبیه سازی دینامیک مولکولی هست و سپس نرم افزار پکمول را که برای ایجاد پیکربندی اولیه کاربرد دارد را توضیح می دهیم.
در فصل پنجم به توضیح شبیه سازی و نتایج آن می پردازیم. روش هایی را که استفاده کرده ایم را خواهیم گفت و سپس نتایج حاصل از شبیه سازی را توضیح می دهیم. فاصله متوسط پروتئین از گرافن، انرژی واندروالسی برهمکنشی بین گرافن و پروتئین بر حسب زمان، آبدوستی و آبگریزی اسیدهای آمینه پروتئین، شعاع ژیراسیون پروتئین بر حسب زمان و مساحتی که پروتئین بیشترین زمان را روی گرافن می گذارد از جمله کمیت هایی هستند که محاسبه شده اند و در نهایت به نتیجه گیری از این شبیه سازی ها خواهیم پرداخت.
فصل اول :
گرافن
۱-۱- مقدمه:
گرافن نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است.در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ‌های کربن)، هر کدام از اتم‌های چهار ظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌ است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌ است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوک مداد به کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده ‌است. هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس درباره ی گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه ی مرمین- واگنر در مکانیک آماری و نظریه ی میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده ی دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه ی مرمین- واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزه ی نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت[۹].
۱-۲- معرفی گرافن:
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد(شکل ۱-۱). گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی[۱۰] و خواص مکانیکی[۱۱] به ماده‌ای منحصر بفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود۱۴۲/۰نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله بین صفحه‌ای ۳۳۵/۰ نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فولرین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافنی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد [۱۲].درگرافن طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح وکسری، در این سامانه باعث شده است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود.
(شکل۱-۱):ساختار شبکه شش ضلعی گرافن
علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافن بطور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافن موجود در سامانه مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافن تک لایه تقریباً برابر با ۹۷ درصد ومقاومت صفحه آن ۲/۲ می‌باشد وگذردهی نوری برای گرافن‌های دو لایه، سه لا یه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحه به ترتیب ۱۰۰، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهنده آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافن گذردهی نوری سامانه کم می‌شود.
خواص منحصر بفرد گرافن آن راکاندیدای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف و حسگرها قرار داده است. همچنین رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافن، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع کننده نور^۴ معرفی می‌کند. بکار گیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافنی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست.
۴.OLED