Μοριακή δυναμική εύκαμπτων μεγελομορίων σε ηλεκτρικό πεδίο
Authors: Λίτινας Ηρακλής 
Published: September 2021

Προκειμένου να μελετηθούν τα φαινόμενα μεταφοράς και η δυναμική ιόντων εύκαμπτων μεγαλομορίων σε αέρια υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου,αναπτύχθηκε τεχνική Μοριακής Δυναμικής προσομοίωσης εκτός ισορροπίας. Η τεχνική εφαρμόστηκε στην περίπτωση ολιγοπεπτιδίων που κινούνται εντός αναλυτικών οργάνων φασματομετρίας ιοντικής ευκινησίας, μέσω θεώρησης κατάλληλου μοριακού προτύπου και διαμοριακών αλληλεπιδράσεων. Η δομή του εύκαμπτου μεγαλομορίου αποδίδεται μέσω δύο ισομεγεθών κοίλων κυλίνδρων που ενώνονται με αρμό στο ένα άκρο τους. Κατασκευάζονται οι εξισώσεις κίνησης για την περιστροφή και τη δόνηση του ιόντος, η οποία αποδίδεται μέσω της μεταβολής της γωνίας μεταξύ των κυλίνδρων του προτύπου. Οι αλληλεπιδράσεις ιόντων – μορίων αδρανούς αερίου περιγράφονται μέσω δυναμικού 12-6-4, ενώ οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων του αδρανούς αερίου μέσω δυναμικού 12-6. Για την δόνηση του ιόντος, προτείνεται κατάλληλο δυναμικό συναρτήσει της γωνίας που σχηματίζεται μεταξύ των κυλίνδρων του μοντέλου και περιγράφει την αλληλεπίδραση τους. Η κίνηση των ιόντων μελετάται με προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής εκτός ισορροπίας μέσω εκτέλεσης δύο παράλληλων προσομοιώσεων. Στην πρώτη, τα μόρια του αδρανούς αερίου που βρίσκονται σε ισορροπία προσομοιώνονται μόνα τους. Στη δεύτερη, τα ιόντα αλληλεπιδρούν με εικονικά μόρια του αδρανούς αερίου που παράγονται και διατηρούνται στη μνήμη του υπολογιστή όσο διαρκεί η μεταξύ τους κρούση. Με τον τρόπο αυτό τα ιόντα φτάνουν σε στάσιμη κατάσταση γιατί χάνουν μέσω των κρούσεων την ενέργεια που κερδίζουν από το ηλεκτρικό πεδίο ενώ τα μόρια του αδρανούς αερίου παραμένουν σε ισορροπία. Το πρότυπο εφαρμόζεται στη μελέτη εύκαμπτων ολιγοπεπτιδίων δομής έλικα -στροφή – έλικα. Οι μεταβολές που παρατηρούνται στην ενεργό διατομή κρούσης των ιόντων με τα μόρια του αδρανούς και η εξάρτησή τους από τη θερμοκρασία του αδρανούς, ερμηνεύεται μέσω της ύπαρξης δύο κυρίαρχων διαμορφώσεων. Στην πρώτη που χαρακτηρίζουμε ως συνεστραμμένη, η γωνία μεταξύ των κυλίνδρων του προτύπου είναι μικρή, ενώ στη δεύτερη που χαρακτηρίζουμε ως αναπτυγμένη η γωνία είναι μεγαλύτερη. Σε χαμηλές θερμοκρασίες οι δυο διαμορφώσεις συνυπάρχουν, αλλά σε υψηλές θερμοκρασίες του ουδετέρου επικρατεί η αναπτυγμένη διαμόρφωση Η μέθοδος που χρησιμοποιούμε αναπαράγει τις τιμές των ταχυτήτων όδευσης και τις ενεργές διατομές κρούσης για τις διαμορφώσεις το πεπτιδίου. Υπολογίζεται η μέση κινητική ενέργεια των ιόντων εκφρασμένη ως ενεργός θερμοκρασία και προσδιορίζεται η κατανομή των γωνιών μεταξύ των κυλίνδρων του προτύπου,συναρτήσει της θερμοκρασίας του ουδετέρου. Σε προσομοιώσεις με μεταβλητή ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και σταθερή θερμοκρασία του αδρανούς προβλέπεται η εξάρτηση της ευκινησίας των ιόντων και της ενεργού διατομής κρούσης συναρτήσει της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου. Μέσω των τροχιών των μεγαλομορίων μπορούν να υπολογισθούν συσχετίσεις των βαθμών ελευθερίας καθώς και συντελεστές διάχυσης που όμως ακόμη δεν έχουν προσδιορισθεί πειραματικά. Το πρότυπο της μοριακής δομής μπορεί να εξελιχθεί με θεώρηση άνισων κυλίνδρων, εισάγοντας δυνάμεις Coriolis, αλλά και επιπλέον βαθμούς ελευθερίας, όπως η σχετική κίνηση των κυλίνδρων σε δύο επίπεδα ή διακύμανση και εναλλαγή στο ύψος των κυλίνδρων. Η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί και σε μικρά μόρια, όπως στη γωνιακή κίνηση του νερού, με κατάλληλα ενδομοριακά δυναμικά.