Dinâmica molecular de sistemas iônicos poliatômicos: modelos polarizável e não-polarizável

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito.

Estudio mediante dinámica molecular del efecto de la radiación e isótopos de H en diamante para su aplicación en fusión

Las recientes mejoras en la síntesis de Diamante artificial han logrado cristales de mayor tamaño, propiedades optimizadas y en muchos casos superiores a sus variantes naturales. Con ello, los cristales sintéticos de Diamante, pasan a ser una alternativa seria en aplicaciones de Fusión Nuclear. Algunas de las propiedades deseables para dichas aplicaciones son especialmente notables en Diamante, entre otras su conductividad térmica o su amplio rango de transparencia electromagnética. Sin embargo, el conocimiento acumulado acerca de su comportamiento bajo radiación, o más concretamente bajo las condiciones radiactivas de Fusión, es todavía limitado. En aplicaciones de Fusión nuclear, es imprescindible conocer el efecto de la radiación neutrónica y la interacción del material con Hidrógeno, sus isótopos y otros elementos ligeros propios de los plasmas de Fusión. No nos consta una bibliografía extensa acerca del daño por radiación en Diamante, existen estudios poco concluyentes acerca de la energía umbral de desplazamiento, se ha estudiado la grafitización o amorfización y tópicos tales como la implantación o el daño por bombardeo electrónico, iónico o gamma, pero no se han encontrado trabajos previos a esta tesis en cascadas de desplazamientos 1 y, como veremos, apenas unos pocos trabajos utilizan la técnica de la Dinámica Molecular en estudios de daño por radiación en este material. La interacción del Hidrógeno en la red de Diamante sí ha sido extensamente estudiada, se conocen multitud de líneas de absorción relacionadas con su presencia, se ha estudiado su difusión mediante técnicas experimentales y existen descripciones atomísticas de los sitios de equilibrio en la red de Diamante, aislado o formando parte de agregados...

Comportamento tribo-mecânico e desgaste adesivo de materiais em nanoescala: análises por dinâmica molecular e mecânica do contínuo.

As formulações baseadas na mecânica do contínuo, embora precisas até certo ponto, por vezes não podem ser utilizadas, ou não são conceitualmente corretas para o entendimento de fenômenos em escalas reduzidas. Estas limitações podem aparecer no estudo dos fenômenos tribológicos em escala nanométrica, que passam a necessitar de novos métodos experimentais, teóricos e computacionais que permitam explorar estes fenômenos com a resolução necessária. Simulações atomísticas são capazes de descrever fenômenos em pequena escala, porém, o número necessário de átomos modelados e, portanto, o custo computacional - geralmente torna-se bastante elevado. Por outro lado, os métodos de simulação associados à mecânica do contínuo são mais interessantes em relação ao custo computacional, mas não são precisos na escala atômica. A combinação entre essas duas abordagens pode, então, permitir uma compreensão mais realista dos fenômenos da tribologia. Neste trabalho, discutem-se os conceitos básicos e modelos de atrito em escala atômica e apresentam-se estudos, por meio de simulação numérica, para a análise e compreensão dos mecanismos de atrito e desgaste no contato entre materiais. O problema é abordado em diferentes escalas, e propõe-se uma abordagem conjunta entre a Mecânica do Contínuo e a Dinâmica Molecular. Para tanto, foram executadas simulações numéricas, com complexidade crescente, do contato entre superfícies, partindo-se de um primeiro modelo que simula o efeito de defeitos cristalinos no fenômeno de escorregamento puro, considerando a Dinâmica Molecular. Posteriormente, inseriu-se, nos modelos da mecânica do contínuo, considerações sobre o fenômeno de adesão. A validação dos resultados é feita pela comparação entre as duas abordagens e com a literatura.

A influência da incorporação de ácido α-eleosteárico, purificado e isolado do óleo de tungue, na dinâmica molecular de lipossomos

Este trabalho descreve o isolamento e purificação do ácido α-eleosteárico (α-ESA) a partir do óleo de tungue e sua caracterização por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), cromatografia gasosa acoplada com espectrometria de massas (GC-MS) e espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de 1H e 13C. O α-ESA apresenta atividades biológicas (antitumorais, anti-inflamatórias e antioxidantes), tornando-se importante compreender sua interação com membranas lipídicas. Assim, este trabalho também descreve resultados referentes ao efeito da incorporação de α-ESA na dinâmica molecular de lipossomos compostos por fosfatidilcolina. O sistema lipossomal puro e contendo α-ESA foi caracterizado através do uso de espectroscopia de UV-visível, FTIR, RMN e calorimetria de varredura diferencial (DSC). Como resultados da purificação do α-ESA, obtivemos uma pureza de 95,9% utilizando acetona como solvente de recristalização em detrimento dos 92,2% em solução etanólica. Na incorporação em lipossomos, observou-se uma maior interação do α-ESA com a parte polar, de interface e os primeiros metilenos da região apolar da fosfatidilcolina. Além disso, α-ESA apresentou um efeito de redução da fluidez de lipossomos. Os resultados contribuem para a geração de conhecimento para o desenvolvimento de novos sistemas farmacológicos.

La dinámica molecular como herramienta para el análisis de la física de la fractura frágil

Se discuten algunos elementos del origen y estado del arte del uso de la Dinámica Molecular (DM) como herramienta para el estudio de la física de la fractura a nivel atómico. La DM permite elaborar modelos computacionales para analizar el proceso de propagación de grietas a escalas difícilmente accesibles mediante la experimentación convencional, lo que posibilita obtener datos numéricos referentes a la evolución de una fractura frágil o dúctil, con la finalidad de cotejar lo establecido en modelos teóricos con lo detectado en experimentos, o también para especular sobre bases científicas firmes acerca de comportamientos aún no revelados en experimentos.

Molecular mobility of n-ethylene glycol dimethacrylate glass formers upon free radical polymerization

Quando um líquido evita a cristalização durante o arrefecimento, diz-se que entra no estado sobrearrefecido. Se a temperatura continuar a diminuir, o consequente aumento da viscosidade reflecte-se na mobilidade molecular de tal maneira que os tempos característicos se tornam da mesma ordem de grandeza que os tempos acessíveis experimentalmente. Se o arrefecimento continuar, o líquido altamente viscoso acaba por vitrificar, i.e. entra no estado vítreo onde apenas os movimentos locais são permitidos. Os monómeros da família n -etileno glicol dimetacrilato ( n -EGDMA, para n = 1 até 4, que constituem o objecto deste estudo, facilmente evitam a cristalização, sendo pois bons candidatos para estudar a mobilidade molecular nos estados sobrearrefecido e vítreo. A Espectroscopia de Relaxação Dieléctrica (DRS) foi a técnica escolhida para obter informação detalhada sobre a sua dinâmica molecular (Capítulos 1 e 2). A primeira parte deste trabalho consistiu na caracterização dieléctrica dos processos de relaxação existentes acima e abaixo da temperatura de transição vítrea (g T ), a qual aumenta com o aumento do peso molecular (w M ), sendo este resultado confirmado por Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC). No que respeita ao processo cooperativo a , associado à transição vítrea, e ao processo secundário b, observa-se uma dependência com w M , enquanto que o outro processo secundário, g , aparenta ser independente deste factor (Capítulo 3). Nos capítulos seguintes, foram levadas a cabo diferentes estratégias com o objectivo de clarificar os mecanismos que estão na origem destas duas relaxações secundárias (b e g ), assim como conhecer a sua respectiva relação com a relaxação principal (a ). Do estudo, em tempo real, da polimerização isotérmica via radicais livres do TrEGDMA por Calorimetria de Varrimento Diferencial com Modulação de Temperatura (TMDSC), levado a cabo a temperaturas abaixo da g T do polímero final, concluem-se entre outros, dois importantes aspectos: i) que a vitrificação do polímero em formação conduz a graus de conversão relativamente baixos, e ii) que o monómero que está por reagir é expulso da rede polimérica que se forma, dando lugar a uma clara separação de fases (Capítulo 4). Com base nesta informação, o passo seguinte foi estudar separadamente a polimerização isotérmica do di-, tri- e tetra-EGDMA, dando especial atenção às alterações de mobilidade do monómero ainda por reagir. Com as restrições impostas pela formação de ligações químicas, as relaxações a e b detectadas no monómero tendem a desaparecer no novo polímero formado, enquanto que a relaxação g se mantém quase inalterada. Os diferentes comportamentos que aparecem durante a polimerização permitiram a atribuição da origem molecular dos processos secundários: o processo g foi associado ao movimento twisting das unidades etileno glicol, enquanto que a rotação dos grupos carboxilo foi relacionada com a relaxação b (Capítulo 5). No que respeita ao próprio polímero, um processo de relaxação adicional foi detectado, pol b , no poly-DEGDMA, poly-TrEGDMA e poly-TeEGDMA, com características similares ao encontrado nos poli(metacrilato de n -alquilo). Este processo foi confirmado e bem caracterizado aquando do estudo da copolimerização do TrEGDMA com acrilato de metilo (MA) para diferentes composições (Capítulo 6). Para finalizar, o EGDMA, o elemento mais pequeno da família de monómeros estudada, além de vitrificar apresenta uma marcada tendência para cristalizar quer a partir do estado líquido ou do estado vítreo. Durante a cristalização, a formação de uma fase rígida afecta principalmente o processo a , cuja intensidade diminui sem no entanto se observarem modificações significativas na dependência do tempo de relaxação característico com a temperatura. Por outro lado, o processo secundário b torna-se melhor definido e mais estreito, o que pode ser interpretado em termos de uma maior homogeneidade dos micro-ambientes associados aos movimentos locais(Capítulo 7).

Ab initio absorption spectrum of NiO combining molecular dynamics with the embedded cluster approach in a discrete reaction field

We developed a procedure that combines three complementary computational methodologies to improve the theoretical description of the electronic structure of nickel oxide. The starting point is a Car-Parrinello molecular dynamics simulation to incorporate vibrorotational degrees of freedom into the material model. By means ofcomplete active space self-consistent field second-order perturbation theory (CASPT2) calculations on embedded clusters extracted from the resulting trajectory, we describe localized spectroscopic phenomena on NiO with an efficient treatment of electron correlation. The inclusion of thermal motion into the theoretical description allowsus to study electronic transitions that, otherwise, would be dipole forbidden in the ideal structure and results in a natural reproduction of the band broadening. Moreover, we improved the embedded cluster model by incorporating self-consistently at the complete active space self-consistent field (CASSCF) level a discrete (or direct) reaction field (DRF) in the cluster surroundings. The DRF approach offers an efficient treatment ofelectric response effects of the crystalline embedding to the electronic transitions localized in the cluster. We offer accurate theoretical estimates of the absorption spectrum and the density of states around the Fermi level of NiO, and a comprehensive explanation of the source of the broadening and the relaxation of the charge transferstates due to the adaptation of the environment

Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Comparison between molecular dynamics abd Monte Carlo simulations of an ordering process in a binary alloy

Ordering in a binary alloy is studied by means of a molecular-dynamics (MD) algorithm which allows to reach the domain growth regime. Results are compared with Monte Carlo simulations using a realistic vacancy-atom (MC-VA) mechanism. At low temperatures fast growth with a dynamical exponent x>1/2 is found for MD and MC-VA. The study of a nonequilibrium ordering process with the two methods shows the importance of the nonhomogeneity of the excitations in the system for determining its macroscopic kinetics.

Molecular dynamics study of the longitudinal modes in disparate-mass binaryliquid mixtures.

A series of molecular dynamics simulations of simple liquid binary mixtures of soft spheres with disparate-mass particles were carried out to investigate the origin of the marked differences between the dynamic structure factors of some liquid binary mixtures such as the Li0.7Mg0.3 and Li0.8Pb0.2 alloys. It is shown that the facility for observing peaks associated with fast-propagating modes in the partial Li-Li dynamic structure factor of Li0.8Pb0.2 should be mainly attributed to the structure of this alloy, which is characterized by an incipient ABAB ordering as found in molten salts. The longitudinal dispersion relations at intermediate wave vectors obtained from the longitudinal current spectra are very similar for the two alloys and reflect the existence of both fast-and slow-propagating modes of kinetic character associated with light and heavy particles, respectively. The influence of the hardness of the repulsive potential cores as well as the composition of the mixture on the longitudinal collective modes is also discussed.

MMPBSA decomposition of the binding energy throughout a molecular dynamics simulation of Amyloid-Beta (Aß10-35) aggregation

Recent experiments with amyloid-beta (Aß) peptides indicate that the formation of toxic oligomers may be an important contribution to the onset of Alzheimer's disease. The toxicity of Aß oligomers depend on their structure, which is governed by assembly dynamics. However, a detailed knowledge of the structure of at the atomic level has not been achieved yet due to limitations of current experimental techniques. In this study, replica exchange molecular dynamics simulations are used to identify the expected diversity of dimer conformations of Aß10-35 monomers. The most representative dimer conformation has been used to track the dimer formation process between both monomers. The process has been characterized by means of the evolution of the decomposition of the binding free energy, which provides an energetic profile of the interaction. Dimers undergo a process of reorganization driven basically by inter-chain hydrophobic and hydrophilic interactions and also solvation/desolvation processes.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.