Лекция № 5-6. Бөлшекаралық өзара әсерлесу потенциалын тәжірибелік және теориялық өңдеу. 1 кезең: Атомдық күштік микроскоппен өлшеу және эмперикалық модельдеу. 2 кезең: Теориялық модельдеу. 3 кезең: нанобөлшектер үшін потенциальды жасау.

Бөлшекаралық өзара әсерлесу потенциалын тәжірибелік және теориялық өңдеу

Теориялық өңдеу кезінде үлкен қиындықтар туады, себебі жоғары потенциалды энергияда кушті өлшеудің нәтижесі туралы мәлімет алудың қарапайым әдісі жоқ. Берілген жоғары потенциалды энергия көптеген функциядағы нанобөлшектегі координант болып табылады. Кейде, күш өлшеудің бір және сол секілді нәтидесіне сәйкес келуі үлкен малекулалар үшін көбіне әр түрлі жоғары потенциолды энергия болуы мүмкін. Осы қиындықтарды жеңу үшін мынандай үш жақты жеңілдетуді қарастырайық.

1. Тәжірибелік мәліметттің моделдеу принципіне негізделе отырып «жоғарыдан төмен» стратегиясын жалғастыруға болады. Дәл сондай тәжірибелік мәләметтерді атқара қалдыра отырып әр түрлі малекулалар мен кластерден модель жасауға болады, әзірше энперикалық әдісті қолдана отырып маңызды ерекшеліктерді көрсетеді және белгілі байланысқа адекватты потенциолды модель жасауға көмектеседі.

2. Сол тәрізді «төменнен жоғары» сәйкесіне қарастыра отырып, жай малекуланың жоғарғы потенциалды есептеу үшін есептеу әдісінің бірінші принципінің тығыздықтың функциалды теориясы және квантты химялы әдісін қолдануға болады. Осы потенциалдық есептеу сапасын ab initio нәтижесімен салыстыра отырып осы қадамды қайтадан қайталамауіымызға болады. Егер болжауға жарамды потенциал алсақ, онда оны нақты материалдың әр-түрлі құрылымын қасиеттерін есептеу үшін қолдануға болады. Бұл кезеңде ешқандай ab initio-мен есептеуге мүлдем болмайды, өйткені ол қазіргі заманғы компьютердің есептеу қуаттын тауысады.

3. Кезеңде алынған, теориялық болжау мен экспенриментальды модельді тікелей салыстыруға болады. Бұл бағдарламадағы ең маңыздысын салыстыру нәтижесінде ab initio есептеп жаңа өңдеуді ынталандыру және жаңарту мүмкіндігі туады. Егер жақсы келісімге келтірілген болса, онда жаңа материалдарды алдын-ала хабарлап және бақылау талап етіледі. 4 – ші суретте осы зерттеудің өзара әсерлесуі көрсетілген.

4-сурет. Бөлшек аралық өзара әсерлесетін күштерді экспериментальды және теориялық оқып-зерттеуге арналған блок-схема. АСМ – нәтижесінде энперикалық модель туғызуға болады. Жаңа материалдарды проекциялау үшін ақырғы есептеуде материалдардың қасиетін алдын-ала хабарлау үшін принципті және эксперименталды нәтижелерді қолдануға болады.

1 Кезең: Атомдық күштік микроскоппен өлшеу және эмперикалық модельдеу

1986 жылы атом–күштік микроскоптың жарық көруінен және оның модификациясының контилевердің ауытқуынан, оптикалық пайда болуынан макро-макро жоғары әртүрлі көріністі ғылым мен өндірісте алу үшін жаңа алдыға қойған, болашағы бар мәселелер шешіле басталады. АСМ - ол тек наномасштаб деңгейіндегі жоғарғы әртүрлі конденсирленген фаза морфологиясын оқып қана қоймайды, бірақ АСМ көмегімен қатар тікелей атом аралық және малекула аралық күшті анықтау мүмкіндігі бар.

Кейде әртүлі мәселелерге байланысты көбіне өзара әсерлескен бөлшек аралық қашықтық функциясын бақылауға арналған АСМ–ді қолдану аса үлкен қолдауын тапты. Атом мен молекула үшін, яғни он атомы бар ab initio кваннтты механикалық есептеу үлкен жетістікке жетті. Олар өзара әсерлескен бөлшек аралық потенциалды энергияны анықтау үшін бөлшек аралық қашықтықтың күшке тәуелділігін айтарлықтай нақты мәлімет бере алады. Күрделі молекулалар мен макро молаекулалардың өзара әсерлескен молекулааралық потенциалды энергиясын есептеу үшін тікелей АСМ–нің көмегіне жүгіну керек. Мысалы, осы айтылған АСМ–нің нақты модульді потенциалды өңдеу үшін жиі қолданады, оған С₆₀ сияқты конденсирленген фазада молекулааралық өзара әсерлесуін баяндайды.

АСМ – молекулааралық күшті тікелей есептеуге арналған бірегей құрал балып табылады. АСМ–ның дәстүрлі микроскоптан айырмашылығы – оптикалық линза қолданылуында және өте жоғары дәлділікте ие болуында. АСМ–нің жұмыс істеу режимі өткір ұштық жоғарғы үлгіде саканерлейді, яғни жоғары контурлы «сезеді» кейде жазу жалынды, байсалды, анолотты ине мәнінде жасалады. Осындай қабіленіне қарай жоғары контурдың артымен жүріп, сонан кейін субнанометрлік рұқсатпен бөлшектік артқы топтар афиялық көрінісін салуға болады.

Бұл прибор сол сияқты жоғары малекула аралық және ішкі малекулалық өзара әсерлесу кезіндегі арнайы күштер жайында ақпарат беруді қамтамассыз етеді. Осындай өткір ұшты мақсатта зерттеулер мен өлшеулер үшін арнайы жасалған АСМ–нің көмегіне жүгінген жөн.

Көптеген зерттеушілер өткір ұшты формада цилиндрді, парабалоид, конус, пирамиданы қалпағымен биіктігі бірге кездесетін конусты іске қоса отырып, жоғары зондық өзара әсерлескен күшпен қашықтықтың аралық өзара байланысын анықтайтын рпиницть өңдеді. Мысалы, Зенет және басқалары теориялық және тәжірибелік зерттеулер кезінде пирамидалы ұшты жағдайдағы қашықтықпен күштің байланысының қатынасын анықтады. Өзара әселесу күші бойынша анализделіп алынған ақпаратты АСМ – ның көмегінен алу өте күрделі. Ара қашықтықтағы күшті жазудың типтік циклі үшін тәжірибелік алдуы қарастыруға болады, оған мысалы, Густің -*і жатады. Қазіргі заманғы АСМ технологиясы өзара байланысқан күшті ішкі және қашықтықтағы малекула аралық өзара әрекеттескен күшті индвидулады малекуланың басқа да өлшемі үшін орнатуды қамтамасыз етеді.

АСМ–нің қолдауына байланысты сұйықтық ортада органикалық мицелл, калоидтық бөлшек, жоғары биотехникалық. Сондай ақ торлы, ақуызды қыбат және ортақ органикалық наноструктура (нм) организмге физиологиялық мақсатта әсер етуі көріністі алуға үлкен мүмкіндік береді.

Күште өлшеу кезінде нақты әрі мықты мицеллді зонтты және субстратты фиксалдау өте күрделі мәселе, сондай ақ биологиялық клеткалардағы биологиялық белсенділікті ұмытпағанымыз жөн. Дәл осы мақсатта көптеген әдістер жалғасын таба береді, сол сияқты химиялық коросс липерді жұмсақ спайлерлі малекуланы және өзі жиналатын мано қабатын қолданды.

Мұндағы негізгі мәселе – АСМ – зондтал және субстракты «үсті-үстіне беру» эфекттісімен сұйық күйде өлшеудегі күлбің қашықтықтағы тәуелділігіне анықтау.

АСМ - өте өткір ұшты зондтық үлгісінде сканерлеу кезінде бөлшек аралық күшті жоғары дәлдікпен өлшеуді қамтамассыз етеді. Бұл күштер – жоғары морфологияда және локальді пішіндегі новалентті және ковалентті емес байланыстырады, түзейді.

Күштің өзгеруі өткір зондта және сканершінің жоғарыда орналасқан малекулалардың өзара әрекеттенуінің қашықтыққа тәуеді бола отырып табиғи потенциалды сәулеленеді. Берілген этап келесі тапсырманы шешілуін табуды қамтамассыз етеді.

1. Электронды, кулонды және өзара әрекеттесетін айырбастау, электрон арқылы қашықтықтың қайту функциясы кейде бөлшектігінің қашықтықтағы потенциялар арасы сызық емес болып табылады. Қашықтықпен күш аралығындағы экспериментті қатынасынан ақпарат аламыз, ол моделді потенциалды құрау үшін қолданылады.

(3)

мұндағы -қума параметрлер, атомдар координаталары. - функциясы немесе қашықтық, бұрыш болуы. Егер функциясы арақашықтығы деп болжаған болсақ, онда ғылым әдебиетінде бірнеше қарапайым функционалдау атау ретінде қолданылады, ол 2- ші кестеде көрсетілген.

2. Потенцианалдау уағын, сондай ақ өзара әсерлескен жоғары тәртіппен ( үштік, төртті бөлшектерде т.б.) ісіне қосады. Қарапайым потенционал бұрыштан бүктелуге дейін, нүктелеғуден созылуға, айналу кезіндегі айналуын бұрыштың күшке тәуелділігін өлшіеуге болады.

2-кесте

Кейбір жұп потенциалдар үшін модельді өрнектер

Потенциал атауы	Формуласы	Пайдалану аймағы
Гормониялық оссилятор		аралық
Морзе потенциялы	D	аралық
Ми (*) потенциялы		Қашықтан әсер етуші
Кулонды потенциал		Ионды байланыс бөлшек немесе әрекеттің толық ауысуы

(*) Ленарда Джонс потенциалы- Ми потенциалы негізіндегі ерекше жағдай, кейде m= 12, n=6 тең потенциалдар параметрі К- күш тұрақтысы Р,Е – шұңқыцрдың тереңдік потенциалы, rm,г- минимум жатады.

G* ядроны тепе-теңдік заряд.

Осы тапсырманың шешімін тапқан соң жоғары ауыр потенциалды яғни функция немесе қашықтық немесе бұрышты жасауға тура келеді, содан соң осы потенциалдарды ішкі функциалды потенционал конструктрнленген және малекула аралық өзара әсерлесу кезінде қолдануғ болады. Бұл екі потенционал мысалы, биотехнологилық малекула немесе табиғатты түсіну үшін және реаккцялау үшін шешімін табатын мәні болып табылады.

Алынған потенциолдарды АСм – сканерінің әр-түрлі режимінде ноноструктураның көрінісін көрсету үшін қолданылады. Осы теориялық көріністі АСМ – нің көмегімен жоғары дәлдікпен өлшенген нәтижесімен салыстырады. 5 – ші суретте анологты режимі көрсетілген.

Ауытқу режиміндегі жазық бөлшек қаптамалардың жоғарыдан зондт тұрақты ара қашықтығына дейінгі АСм – нің көмегімен сканерлеу процесіндегі теориялық моделдің нәтижелері. (2) өлшеу (а) және 3- ші өлшеу (б) вертикальді құраушы күштің көрірісі. Потенциалды қолдана отырып, яғни әр-түрлі шекте нақтылық үшін моделді компютердің есептеуімен модельін қамтамассыз етеді.

5-сурет