Simulazioni atomiche di canali ionici del potassio: limiti del Force Field AMBER nelle stime di conduttanza

Le simulazioni atomiche dei canali ionici del K+ mettono in evidenza una significativa inaccuratezza: i valori di conduttanza del canale stimati sono molto distanti dai valori sperimentali. Per tentare di migliorare le simulazioni e i loro risultati, è necessario modificare il modello di Force Field impiegato. Si è scelto di adottare il modello di Force Field AMBER, uno dei più utilizzati per simulazioni di molecole biologiche in dinamica molecolare, e di agire sui valori dei parametri di Lennard-Jones cercando un set di valori che permetta di minimizzare la distanza tra la conduttanza stimata e la conduttanza sperimentale delle soluzioni saline. L’analisi ha dimostrato che non è possibile riprodurre in modo quantitativo i valori sperimentali di conduttanza di soluzioni saline di Na+ e K+ in simulazioni atomiche basate su un modello di Force Field additivo.

Dynamic properties of Lennard Jones fluids and liquid metals

The dependence of the dynamic properties of liquid metals and Lennard-Jones fluids on the characteristics of the interaction potentials is analyzed. Molecular-dynamics simulations of liquids in analogous conditions but assuming that their particles interact either through a Lennard-Jones or a liquid-metal potential were carried out. The Lennard-Jones potentials were chosen so that both the effective size of the particles and the depth of the potential well were very close to those of the liquid-metal potentials. In order to investigate the extent to which the dynamic properties of liquids depend on the short-range attractive interactions as well as on the softness of the potential cores, molecular-dynamics simulations of the same systems but assuming purely repulsive interactions with the same potential cores were also performed. The study includes both singleparticle dynamic properties, such as the velocity autocorrelation functions, and collective dynamic properties, such as the intermediate scattering funcfunctions, and collective dynamic properties, such as the intermediate scattering functions, the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse current correlations, and the transport coefficients.

Equilibrium points and central configurations for the Lennard-Jones 2-and 3-body problems

Abstract. In this paper we study the relative equilibria and their stability for a system of three point particles moving under the action of a Lennard{Jones potential. A central con guration is a special position of the particles where the position and acceleration vectors of each particle are proportional, and the constant of proportionality is the same for all particles. Since the Lennard{Jones potential depends only on the mutual distances among the particles, it is invariant under rotations. In a rotating frame the orbits coming from central con gurations become equilibrium points, the relative equilibria. Due to the form of the potential, the relative equilibria depend on the size of the system, that is, depend strongly of the momentum of inertia I. In this work we characterize the relative equilibria, we nd the bifurcation values of I for which the number of relative equilibria is changing, we also analyze the stability of the relative equilibria.

Relaxation of surface tension in the free-surface boundary layers of simple Lennard-Jones liquids

In this paper we use molecular dynamics to answer a classical question: how does the surface tension on a liquid/gas interface appear? After defining surface tension from the first principles and performing several consistency checks, we perform a dynamic experiment with a single simple liquid nanodroplet. At time zero, we remove all molecules of the interfacial layer of molecules, creating a fresh bare interface with the bulk arrangement of molecules. After that the system evolves towards equilibrium, and the expected surface tension is re-established. We found that the system relaxation consists of three distinct stages. First, the mechanical balance is quickly re-established. During this process the notion of surface tension is meaningless. In the second stage, the surface tension equilibrates, and the density profile broadens to a value which we call “intrinsic” interfacial width. During the third stage, the density profile continues to broaden due to capillary wave excitations, which does not however affect the surface tension.We have observed this scenario for monatomic Lennard-Jones (LJ) liquid as well as for binary LJ mixtures at different temperatures, monitoring a wide range of physical observables.

Relaxation of surface tension in the liquid-solid interfaces of Lennard-Jones liquids

We have established the surface tension relaxation time in the liquid-solid interfaces of Lennard-Jones (LJ) liquids by means of direct measurements in molecular dynamics (MD) simulations. The main result is that the relaxation time is found to be almost independent of the molecular structures and viscosity of the liquids (at seventy-fold change) used in our study and lies in such a range that in slow hydrodynamic motion the interfaces are expected to be at equilibrium. The implications of our results for the modelling of dynamic wetting processes and interpretation of dynamic contact angle data are discussed.

Confined Lennard-Jones potential: a variational treatment

In this work, the energy eigenvalues for the confined Lennard-Jones potential are calculated through the Variational Method allied to the Super symmetric Quantum Mechanics. Numerical results are obtained for different energy levels, parameters of the potential and values of confinement radius. In the limit, where this radius assumes great values, the results for the non-confined case are recovered..

Supersymmetry, variational method and the Lennard-Jones (12,6) potential

The formalism of supersymmetric quantum mechanics is used to determine trial functions in order to obtain eigenvalues for the Lennard-Jones (12, 6) potential from variational method. The superpotential obtained provides an effective potential which can be directly comparable to the original one.

Supersimetria, método variacional e potencial de Lennard-Jones (12,6)

In this work a review of the supersymmetric quantum mechanics formalism combined with the variational method is done. This approach is useful in order to obtain numerical values for the energy eigenvalues from Schrödinger equation. As an example, the energy eigenvalues from the Lennard-Jones (12,6) potential are determined and the results are compared with other ones obtained from different methods. Copyright by the Sociedade Brasileira de Física.

Tractable molecular theory of transport of Lennard-Jones fluids in nanopores

We present here a tractable theory of transport of simple fluids in cylindrical nanopores, which is applicable over a wide range of densities and pore sizes. In the Henry law low-density region the theory considers the trajectories of molecules oscillating between diffuse wall collisions, while at higher densities beyond this region the contribution from viscous flow becomes significant and is included through our recent approach utilizing a local average density model. The model is validated by means of equilibrium as well nonequilibrium molecular dynamics simulations of supercritical methane transport in cylindrical silica pores over a wide range of temperature, density, and pore size. The model for the Henry law region is exact and found to yield an excellent match with simulations at all conditions, including the single-file region of very small pore size where it is shown to provide the density-independent collective transport coefficient. It is also shown that in the absence of dispersive interactions the model reduces to the classical Knudsen result, but in the presence of such interactions the latter model drastically overpredicts the transport coefficient. For larger micropores beyond the single-file region the transport coefficient is reduced at high density because of intermolecular interactions and hindrance to particle crossings leading to a large decrease in surface slip that is not well represented by the model. However, for mesopores the transport coefficient increases monotonically with density, over the range studied, and is very well predicted by the theory, though at very high density the contribution from surface slip is slightly overpredicted. It is also seen that the concept of activated diffusion, commonly associated with diffusion in small pores, is fundamentally invalid for smooth pores, and the apparent activation energy is not simply related to the minimum pore potential or the adsorption energy as generally assumed. (C) 2004 American Institute of Physics.

Adsorption of Lennard-Jones fluids in carbon slit pores of a finite length. A computer simulation study

The adsorption of simple Lennard-Jones fluids in a carbon slit pore of finite length was studied with Canonical Ensemble (NVT) and Gibbs Ensemble Monte Carlo Simulations (GEMC). The Canonical Ensemble was a collection of cubic simulation boxes in which a finite pore resides, while the Gibbs Ensemble was that of the pore space of the finite pore. Argon was used as a model for Lennard-Jones fluids, while the adsorbent was modelled as a finite carbon slit pore whose two walls were composed of three graphene layers with carbon atoms arranged in a hexagonal pattern. The Lennard-Jones (LJ) 12-6 potential model was used to compute the interaction energy between two fluid particles, and also between a fluid particle and a carbon atom. Argon adsorption isotherms were obtained at 87.3 K for pore widths of 1.0, 1.5 and 2.0 nm using both Canonical and Gibbs Ensembles. These results were compared with isotherms obtained with corresponding infinite pores using Grand Canonical Ensembles. The effects of the number of cycles necessary to reach equilibrium, the initial allocation of particles, the displacement step and the simulation box size were particularly investigated in the Monte Carlo simulation with Canonical Ensembles. Of these parameters, the displacement step had the most significant effect on the performance of the Monte Carlo simulation. The simulation box size was also important, especially at low pressures at which the size must be sufficiently large to have a statistically acceptable number of particles in the bulk phase. Finally, it was found that the Canonical Ensemble and the Gibbs Ensemble both yielded the same isotherm (within statistical error); however, the computation time for GEMC was shorter than that for canonical ensemble simulation. However, the latter method described the proper interface between the reservoir and the adsorbed phase (and hence the meniscus).

Caratterizzazione di un setup miniaturizzato per studi di elettrofisiologia

La messa a punto di tecniche come il patch clamp e la creazione di doppi strati lipidici artificiali (artificial bilayers) ha permesso di effettuare studi su canali ionici per valutarne la permeabilità, la selettività ionica, la dipendenza dal voltaggio e la cinetica, sia in ambito di ricerca, per analizzarne il funzionamento specifico, sia in quello farmaceutico, per studiare la risposta cellulare a nuovi farmaci prodotti. Tali tecniche possono essere inoltre impiegate nella realizzazione di biosensori, combinando così i vantaggi di specificità e sensibilità dei sistemi biologici alla veloce risposta quantitativa degli strumenti elettrochimici. I segnali in corrente che vengono rilevati con questi metodi sono dell’ordine dei pA e richiedono perciò l’utilizzo di strumentazioni molto costose e ingombranti per amplificarli, analizzarli ed elaborarli correttamente. Il gruppo di ricerca afferente al professor Tartagni della facoltà di ingegneria di Cesena ha sviluppato un sistema miniaturizzato che possiede molte delle caratteristiche richieste per questi studi. L’obiettivo della tesi riguarda la caratterizzazione sperimentale di tale sistema con prove di laboratorio eseguite in uno spazio ridotto e senza l’impiego di ulteriori strumentazioni ad eccezione del PC. In particolare le prove effettuate prevedono la realizzazione di membrane lipidiche artificiali seguita dall’inserimento e dallo studio del comportamento di due particolari canali ionici comunemente utilizzati per questa tipologia di studi: la gramicidina A, per la facilità d’inserimento nella membrana e per la bassa conduttanza del singolo canale, e l’α-emolisina, per l’attuale impiego nella progettazione e realizzazione di biosensori. Il presente lavoro si sviluppa in quattro capitoli di seguito brevemente riassunti. Nel primo vengono illustrate la struttura e le funzioni svolte dalla membrana cellulare, rivolgendo particolare attenzione ai fosfolipidi e alle proteine di membrana; viene inoltre descritta la struttura dei canali ionici utilizzati per gli esperimenti. Il secondo capitolo comprende una descrizione del metodo utilizzato per realizzare i doppi strati lipidici artificiali, con riferimento all’analogo elettrico che ne risulta, ed una presentazione della strumentazione utilizzata per le prove di laboratorio. Il terzo e il quarto capitolo sono dedicati all’elaborazione dei dati raccolti sperimentalmente: in particolare vengono prima analizzati quelli specifici dell’amplificatore, quali quelli inerenti il rumore che si somma al segnale utile da analizzare e la variabilità inter-prototipo, successivamente si studiano le prestazioni dell’amplificatore miniaturizzato in reali condizioni sperimentali e dopo aver inserito i canali proteici all’interno dei bilayers lipidici.

Proprietà elettriche di cellule interagenti con matrici polimeriche biocompatibili

L'utilizzo di polimeri organici coniugati in dispositivi elettronici per applicazioni biologiche, grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettriche, insieme alla loro biocompatibilità, è un campo di ricerca relativamente nuovo e in rapida espansione. In questo lavoro di tesi si utilizza la tecnica del Voltage Clamp in configurazione whole cell per caratterizzare le proprietà elettrofisiologiche della linea cellulare di glioblastoma multiforme (T98G) e per registrare le correnti ioniche di cellule adese su una matrice polimerica biocompatibile di poli(etilenediossitiofene)-poli(stirenesulfonato) (PEDOT:PSS). La tecnica consiste nel bloccare il potenziale di membrana al valore desiderato, secondo un preciso protocollo di stimolazione, misurando la corrente necessaria per mantenere costante il potenziale presente tra le due superfici della membrana cellulare. Nella prima parte del lavoro le cellule sono state perfuse con farmaci inibitori dei canali potassio, prima con il bloccante non specifico tetraetilammonio (TEA), e poi selettivamente tramite bloccanti specifici come iberiotossina e dendrotossina. Il 44% circa delle cellule ha evidenziato una significativa corrente residua riconducibile all'attività dei canali ionici voltaggio-dipendenti Kv1.2. Al contrario nelle cellule restanti questi canali non sono espressi. Successivamente, sempre utilizzando le T98G, si è analizzato come lo stato di ossido-riduzione del polimero coniugato PEDOT:PSS possa influenzare le correnti dei canali ionici di membrana; è emerso che il substrato di PEDOT:PSS ridotto provoca una diminuzione significativa della corrente registrata rispetto al substrato di controllo (petri in polistirene). Questi risultati sono stati confrontati con le curve di proliferazione delle cellule T98G coltivate per 24h, 48h e 72h sui diversi substrati considerati, evidenziando interessanti correlazioni nel caso del substrato PEDOT:PSS ridotto.

Parametrizzazione e validazione di campi di forza polarizzabili per l'acetonitrile

Il perfezionamento dei campi di forza in meccanica molecolare, necessario per migliorare l’accuratezza della modellazione classica di materiali, è un procedimento dispendioso. L’accuratezza dei campi di forza è tuttavia la chiave per la predizione affidabile di proprietà chimico-fisiche dalle simulazioni MD. A questo scopo, risulta importante l’inclusione esplicita della polarizzazione, trascurata nei campi di forze tradizionali. Il modello dell’oscillatore di Drude rappresenta una soluzione computazionalmente conveniente ed è implementato in diversi software di simulazione. In questo modello, la polarizzazione atomica è resa dall’introduzione di una particella carica e di massa ridotta, ancorata all’atomo polarizzabile. In questo lavoro di tesi abbiamo sviluppato una procedura per ottenere un campo di forza polarizzabile per molecole organiche in fase liquida, prendendo in esame un solvente polare molto comune: l’acetonitrile. Il nostro approccio si serve di calcoli quantomeccanici preliminari per la determinazione dei valori di riferimento di alcune proprietà molecolari: le cariche parziali atomiche, il momento di dipolo e la polarizzabilità. A questi calcoli seguono due fasi di parametrizzazione basate su algoritmi di minimizzazione. La prima fase riguarda la parametrizzazione delle polarizzabilità atomiche descritte con il modello di Drude e ha come scopo la riproduzione della polarizzabilità molecolare quantomeccanica. Nella seconda fase, si sono ottimizzati i parametri del potenziale Lennard-Jones in modo da riprodurre la densità sperimentale a temperatura e pressione ambiente, ottenendo diverse parametrizzazioni del campo di forza polarizzabile. Infine, queste parametrizzazioni sono state confrontate sulla base della loro capacità di riprodurre alcune proprietà di bulk, quali entalpia di vaporizzazione, costante dielettrica, coefficiente di diffusione e specifiche funzioni di distribuzione radiale.

Adsorption of binary hydrocarbon mixtures in carbon slit pores: A density functional theory study

Adsorption of binary hydrocarbon mixtures involving methane in carbon slit pores is theoretically studied here from the viewpoints of separation and of the effect of impurities on methane storage. It is seen that even small amounts of ethane, propane, or butane can significantly reduce the methane capacity of carbons. Optimal pore sizes and pressures, depending on impurity concentration, are noted in the present work, suggesting that careful adsorbent and process design can lead to enhanced separation. These results are consistent with earlier literature studies for the infinite dilution limit. For methane storage applications a carbon micropore width of 11.4 Angstrom (based on distance between centers of carbon atoms on opposing walls) is found to be the most suitable from the point of view of lower impurity uptake during high-pressure adsorption and greater impurity retention during low-pressure delivery. The results also theoretically confirm unusual recently reported observations of enhanced methane adsorption in the presence of a small amount of heavier hydrocarbon impurity.