КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 6, с. 753-765
УДК 54796332:54118322:54659
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛИЗАЦИИ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛЫ ДЕЗОРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА
© 2007 г. Л. В. Жеренкова*, П. В. Комаров*, П. Г. Халатур**
*Тверской государственный университет 170002 Тверь, Садовый пер., 35 **Институт элементоорганических соединений им. А Н. Несмеянова РАН 119991 Москва, ул. Вавилова, 28 Поступила в редакцию 28.02.2007 г.
На базе метода Монте-Карло разработана компьютерная модель для исследования процесса формирования металлического покрытия фрагмента ДНК в результате электростатического взаимодействия молекулы-матрицы и положительно заряженных наночастиц золота в водном растворе. Изучено влияние размера и заряда наночастиц на процесс самосборки нанопровода и качество образующегося металлического слоя.
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени традиционные технологии практически исчерпали свои возможности по усовершенствованию микроэлектронных устройств, поскольку вплотную приблизились к границе нанометрового масштаба. В этой связи является актуальным создание высокотехнологичных методов для конструирования элементной базы нового поколения, разработку которых предполагается осуществить с помощью молекулярной электроники. В ее основе лежат самоорганизация и самосборка органических и неорганических молекул и соединений. В качестве матриц для создания упорядоченных наноструктур с заданными свойствами активно используются биологические макромолекулы [1], физические и химические свойства которых оптимальны для этой цели. В частности, биомолекулы могут служить каркасом при конструировании металлорганических нанопроводников [2]. Вольт-амперные характеристики таких устройств демонстрируют возможность их использования в электронных схемах будущих наноприборов.
Экспериментальные исследования последних лет показали, что одной из наиболее перспективных матриц для сборки токопроводящих наночастиц является молекула дезорибонуклеиновой кислоты (ДНК) [3-15]. Эта уникальная макромолекула обладает свойствами, которые позволяют использовать ее в различных методах получения функциональных композитов и наноструктур. Такие свойства определяются специфическими водородными связями между нуклеотидами четырех типов, что делает ее наиболее оптимальной в программируемых процессах самоорганизации. Важной особенностью двуспиральной ДНК является также ее ме-
ханическая жесткость. Более того, ДНК обладает достаточно высокой стабильностью, что особенно привлекательно при создании элементов электронных устройств, в частности, ультратонких нанопро-водов. Однако, несмотря на то, что молекула ДНК является сильно заряженным полиэлектролитом, ее собственная проводимость чрезвычайно мала. Поэтому ее использование в электронных устройствах возможно лишь в сочетании с соответствующими неорганическими веществами. Только в случае, когда найден рациональный способ связи атомов или наночастиц металла с ДНК, можно всерьез рассчитывать на получение проводящей поверхности нанометрового масштаба или технологичных нанопроводников. Несмотря на то, что возможные типы взаимодействия между ДНК и ионами металлов (химические реакции, электростатические силы, водородная связь) хорошо известны, закономерности их самоорганизации в высокоупорядочен-ные металлсодержащие наноструктуры требуют углубленного теоретического и экспериментального исследования.
Наиболее часто используемая схема получения металлсодержащих материалов на основе молекул ДНК выглядит следующим образом. Посредством ионного обмена или специфического взаимодействия с азотистыми основаниями ДНК ионы благородных или других тяжелых металлов (например, меди) концентрируются вблизи молекулы-матрицы. Далее путем химического (или иного) восстановления получают нейтральные атомы или нано-кластеры металла. Другой, наименее изученный и редко используемый способ основан на электростатическом взаимодействии отрицательно заряженных фосфатных групп ДНК и наночастиц металла,
несущих положительный заряд [14-15]. Электростатический механизм получения нанопровода привлекателен, в частности, тем, что проводящее металлическое покрытие формируется в одну стадию, и лишь в случае необходимости получения большей толщины нанопровода требуется дальнейшее наращивание металлического слоя.
Одним из несомненных преимуществ использования электростатического механизма является также и то, что в случае конструирования упорядоченного массива нанопроводов этот механизм является одновременно основой формирования супрамолеку-лярного ансамбля ДНК [14]. Другими словами, процесс самоорганизации фрагментов ДНК и заряженных наночастиц в упорядоченную структуру за счет "склеивания" молекул ДНК сконденсированными наночастицами металла приводит сразу к формированию линейно упорядоченных наночастиц.
Теоретические исследования условий самосборки нанопроводов фактически отсутствуют. Работы, основанные на методах компьютерного моделирования, посвящены, главным образом, изучению различных физических свойств нанопроводов [16-19]. Между тем, предварительные расчеты, направленные на выяснение закономерностей формирования проводящего покрытия, могут значительно облегчить задачу практической реализации конструирования нанопроводников.
В данной работе изучается электростатический механизм самосборки нанопровода на матрице ДНК в коллоидном растворе. Предполагается, что фрагмент молекулы ДНК вводится в коллоидную дисперсию наночастиц золота с размером от 0.5 нм до 3.5 нм. Получить положительно заряженные на-ночастицы можно в результате предварительного процесса функционализации. Под функционализа-цией понимается процесс изменения свойств коллоидных частиц посредством присоединения к их поверхности различных функциональных групп атомов. Таким подходом часто пользуются для управления процессом самосборки при конструировании массивов наночастиц [1, 2]. Соответственно, для обеспечения электростатического механизма самосборки нанопровода на матрице ДНК необходимо присоединить к поверхности наночастиц химические группы с достаточно высокой изоэлек-трической точкой для обеспечения положительного заряда наночастиц в растворе. Кроме того, положительный заряд на поверхности наночастиц может оставаться после окончания процедуры восстановления при синтезе коллоидной дисперсии. Даже без специальной катионной модификации поверхности наночастиц, они могут обладать достаточно большим положительным зарядом. Такие на-ночастицы и нанокластеры не являются стабильными, в отличие от функционализованных. Однако их агрегация на отрицательно заряженной матрице является более быстрым процессом по сравнению
с взаимной агрегацией. Следует также отметить, что агрегация положительно заряженных наночастиц на матрице ДНК может вызывать значительные конформационные изменения молекулы, вплоть до компактизации [20]. Однако в настоящее время разработаны различные способы фиксации молекулы ДНК, препятствующие ее конформаци-онным изменениям.
Основной целью работы является изучение условий получения токопроводящего металлического покрытия. При этом способность полученного металлоорганического агрегата проводить ток оценивается качественно, без количественного расчета проводимости.
МОДЕЛЬ И МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ
1. От реальных объектов к модельным
Исследуется процесс самосборки нанопровода в водном растворе, содержащем фрагмент молекулы ДНК, наночастицы золота и низкомолекулярные противоионы. Поскольку ДНК является жесткоцеп-ной макромолекулой (персистентная длина ~150 пар оснований), ее фрагмент представлен в виде стерж-необразной последовательности из = 100 перекрывающихся сферических звеньев диаметра 2а, где а - единица длины, равная 10 А (рис. 1). Расстояние между центрами сфер равно 0.34а. Предполагается, что фосфатные группы молекулы полностью диссоциированы. Распределение зарядов двойной спирали ДНК моделируется следующим образом. На поверхности каждой сферы расположены два сферических силовых центра диаметра 0.3а, несущие отрицательные единичные заряды. Отрезок, соединяющий эти заряженные центры, перпендикулярен оси матрицы, а его длина равна диаметру сферы. При переходе от одной сферы к соседней заряженные силовые центры поворачиваются на угол 2п/10, моделируя тем самым спиральную структуру ДНК.
Наночастицы золота представлены сферами диаметра В, количество которых в ячейке моделирования равно = 200. На поверхности каждой сферы расположен сферический силовой центр диаметра 0.3а, несущий положительный заряд q = 2в, где 2 -целое число, е - заряд электрона. Эта заряженная сфера с центром, расположенным на поверхности наночастицы, моделирует функциональную группу. Диаметр и заряд наночастицы являются основными параметрами расчетов. Рассмотрены два случая: а) все наночастицы раствора имеют одинаковый диаметр, б) диаметр наночастиц принадлежит интервалу значений В е [0.5а, 3а] и имеет гауссово распределение (ГР) с максимумом при 2а.
Растворитель рассматривается как непрерывная среда с диэлектрической проницаемостью е. Равномерно распределенные в объеме подвижные ионы, образующиеся при диссоциации фосфатных групп
о ~
2 а
D
Рис. 1. Схематическое представление моделей фрагмента ДНК и наночастицы золота.
ДНК и функциональных групп наночастиц, учитываются неявно, а именно посредством использования экранированного кулоновского потенциала, описывающего взаимодействие между матрицей и наночастицами.
2. Аппроксимация потенциала для описания взаимодействия наночастиц золота
При исследовании методами компьютерного моделирования систем, содержащих нейтральные атомы металлов и металлические наночастицы, необходимо использовать потенциал, адекватно описывающий их взаимодействие. Задаче восстановления такого потенциала посвящено достаточно большое число работ [21-25]. Наиболее известным является так называемый потенциал Гупта [24, 25], параметры которого подобраны на основе экспериментальных данных по энергии когезии атомов металлического тела. Этот потенциал достаточно часто используется при изучении свойств наночастиц [25-27].
В силу нелинейности и многочастичности потенци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.