強レーザー場による溶液中での分子構造形成に関する分子動力学研究

强激光场溶液中分子结构形成的分子动力学研究

基本信息

批准号：
16032217
负责人：
田中基彦
金额：
$ 1.54万
依托单位：
National Institute for Fusion Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16032217/
关键词：
強結合クーロン系生体高分子 DNAと膜孔グラファイトの表面破壊炭素による水素吸着マイクロ波による加熱 Ab initio分子動力学法 PCクラスター計算機分子科学分子膜チャンネル強い電場相互作用第一原理分子動力学フラーレン DNA 非TCP IP高速通信

项目摘要

この課題では、「強い静電相互作用と分子間力による分子構造の形成」をテーマとして、分子動力学法を用いて以下に記す3つの研究を行なった。また研究手段として、研究室単位で手軽かつ安価に設置できる高速PCクラスター計算機を構築し、その高速性を検証した。参考資料:http://dphysique.nifs.ac.jp/[1]膜孔を通過するDNA:生体系における強い静電力の効果(Phys.Rev.Lett.,94,148103(2005))生体系での分子運動や構造形成においても静電相互作用が重要であることを明確に示した。DNAが安定な2重らせん構造をもつのは水素結合(静電力起源)による塩基鎖の結合が原因であるが、同様に膜孔を通って細胞内を移動するDNAの運動においても静電力は重要である。これは高誘電率の細胞液に囲まれた低誘電率の膜で電場が濃縮される(法線方向の変位電流が連続)ためである。このため隣接する膜孔では単体でイオンは存在できず、カチオンとアニオンが合体するか、強く帯電したDNAがカチオンで荷電中和した状態ではじめて膜孔を通り抜ける。ほかの生体現象でも静電力と分子間力が協調して構造形成が進行することが多いと考えられる。[2]グラファイトの水素吸着による破壊:Ab initio分子動力学(Korean J.Phys, in press)室温の水素雰囲気中でグラファイトの表面破壊が「自発的に」進行することを第一原理(量子力学)分子動力学法を用いて示した。通常想定されている同一炭素原子への2個以上の水素原子の吸着は、原子間の斥力のため高いエネルギー障壁(3eV程度)を越えないと実現しない。ところが、複数の水素原子がグラファイトを構成する異なる炭素原子に吸着される過程は容易に進行し、sp^2構造の平面グラファイトがsp^3的な立体構造へ変化しグラファイト面に凹凸が生じる。この結果歪みが集中した炭素-炭素結合が切断されてグラファイトの6員環構造が破壊され、そのサイトに2つ目の水素が吸着され炭化水素分子CH_2が形成されることを示した。高温(1000K)の場合は熱運動のため水素原子のグラファイトへの吸着は阻害され、表面破壊は進行しないことを示したが、これはナノ素材研究の室内実験と符合する。[3]マイクロ波による水溶液の加熱(Soft Matter 2005、京都大学基礎物理学研究所紀要)[4]Linux PCと高速通信ソフトウェアによる高速並列計算機の構築(日本物理学会誌、2004年12月号、「話題」)

在这个主题中，我们使用了分子动力学方法进行了三项研究，其主题是“通过强静电相互作用和分子间力形成分子结构”。作为研究工具，我们已经构建了一台高速PC群集计算机，该计算机可以在实验室中轻松，便宜地安装，并验证其高速性能。参考材料：http：//dphysique.nifs.ac.jp/ [1] DNA穿过膜孔：强静电力对生物系统的影响（Phys.Rev.Lelett。，94,148103（2005））清楚地表明，这清楚地证明了静电系统在生物系统中静电系统中的重要性。 DNA具有稳定的双螺旋结构的原因是由于碱链通过氢键（静电力的起源）结合，但是静电力在通过膜孔内部移动的DNA的运动中也很重要。这是因为电场集中在具有低介电常数的薄膜中，该膜被高介电常数包围（正常方向的位移电流是连续的）。因此，离子不能单独存在于相邻的膜孔中，并且仅当阳离子被充电中和时，阳离子和阴离子都被合并，或者强烈带电荷的DNA通过膜孔。人们认为，在其他生物学现象中，静电力和分子间力通常共同起作用以形成结构。 [2]通过氢吸附石墨的裂缝：从头开始分子动力学（韩国J. Phys，印刷中）我们证明了石墨的表面断裂使用第一原理（量子力学）分子动力学在室温下在氢气中“自发”的表面断裂。通常假定的两个或多个氢原子在同一碳原子上的吸附，除非由于原子之间的排斥而超过高能屏障（约3 eV），否则无法实现。然而，将多个氢原子吸附在构成石墨的不同碳原子上的过程很容易进行，而Sp^2结构的平面石墨变化为SP^3样的三维结构，导致石墨表面上的不均匀度。这表明将浓缩应变的碳碳键切割，从而导致石墨六元环结构分解，第二个氢在该地点吸附，从而形成了碳氢化合物分子CH_2。在高温（1000k）下，由于热运动而抑制氢原子在石墨上的吸附，并且表面分解没有进展，这与纳米材料研究中的实验室实验一致。 [3]使用微波加热水溶液（Soft Matter 2005，京都大学基本物理研究所公告）[4]使用Linux PC和高速通信软件（日本物理学会杂志，2004年12月，“主题”，“主题”），建造一台高速平行计算机（日本物理学学会杂志）