Membránok, nanopórusok, ioncsatornák és elektrokémiai kettősrétegek tulajdonságainak vizsgálata számítógépes szimulációkkal
Cél: A címben felsorolt inhomogén elektrolitikus rendszerek tulajdonságainak vizsgálata elméleti módszerekkel. Ezen rendszerek közös jellemzője, hogy elektrolitoldatokban vannak jelen. Az elektrolitok olyan anyagok, amelyek egy oldószerben (általában vízben) elmozdulásra képes töltéshordozóként (ionként) vannak jelen. Érdeklődésünk középpontjában az élettanilag fontos szervetlen ionok (Na+, Ca2+, K+, stb.) állnak. Az ilyen oldatoknak mind a technológiai, mind a biológiai jelentősége nagy. Szokták mondani, hogy testünk 60 százaléka víz. Valójában elektrolitoldat. A vér egy elektrolitoldat. A sejtek belsejében a citoplazma egy elektrolitoldat. A tengervíz is egy elektrolitoldat. Sőt, bár kevésbé tömény, a csapvíz is egy elektrolitoldat. Az erőművek és vegyiüzemek csőrendszereiben keringő hűtővíz is elektrolitoldat. És sorolhatnánk. A munka során egyszerű modelleket alkotunk a vizsgált rendszerekre és azokat molekuláris szimulációs módszerrel vizsgáljuk. A számítások a mikroszkopikus jellemzők (a részecskék között ható erők) ismeretében makroszkopikus (termodinamikai, fenomenológiai) tulajdonságokat szolgáltatnak. Ilyenek pl. a póruson/csatornán át folyó áram nagysága, a membránon adszorbeálódott anyag mennyisége, vagy a csatornában/kettősrétegben megkötődött ionok mennyisége. Habár ezek statisztikailag átlagolt mennyiségek, mérésekkel mégis sokszor nehezen meghatározhatók. A szimulációink egyik fő célja tehát, hogy a rendszerek mikroszkopikus szintű viselkedésére vonjunk le következtetéseket. Ahol lehetőség van rá, kísérleti adatokkal vetjük össze számításainkat. Erre azért is szükség van, hogy a felállított modellt megfelelően kalibráljuk.
Módszer: Az elsődleges módszer a Monte Carlo (MC) szimulációs módszer. Ez egy statisztikus mechanikai eljárás, amivel a rendszer mikroszkopikus szintű tulajdonságainak (részecskék között ható erők, geometriai kényszerek, külső erők, stb.) ismeretében a rendszer makroszkopikus (fenomenologikus, mérhető) tulajdonságait tudjuk kiszámolni. Az MC programokat magunk fejlesztjük Fortran nyelven és a tanszéken található Linux klaszteren futtatjuk. Bár az MC módszert elsősorban egyensúlyi módszerek vizsgálatára találták ki, mi kifejlesztettünk olyan technikákat, amik révén nem-egyensúlyi rendszerek vizsgálatára is alkalmazhatók. Ez lehetővé teszi az MC módszer szofisztikált mintavételezési technikáinak alkalmazhatóságát.
A vizsgált rendszerek: Elektrokémiai kettősrétegek Ezek a kettősrétegek egy töltött felület mellett alakulnak ki. A negatívan töltött felület mellett pl. felhalmozódnak a pozitív ellenionok. A kettősréteg kialakul az elektródok mellett ugyanúgy, mint a sejtmembrán mellett. Jelentősége tehát az elektrokémiában és a molekuláris biológiában/biofizikában is nagy. A kettősréteg szerkezete befolyásolja az elektrokémiai folyamatok illetve a sejtmembránon át folyó transzport sebességét egyaránt.
Biológiai membránok A biológiai membránok általában két, különböző összetételű elektrolitotoldatot választanak el egymástól. A sejten belül a citoplazma található, ahol nagy mennyiségben található K+ és különböző töltött szerves molekulák. A sejten kívüli térrész (sokszor a vér) nagy mennyiségben tartalmaz Na+ iont, azonkívül található itt Ca2+ ion meg sok minden egyéb.
A sejtmembrán azonkívül, hogy definiálja, védi, a külvilágtól izolálja a sejtet, a külvilággal való kapcsolattartást is biztosítja. Ezt a kapcsolattartást nagyrészt anyagtranszport formájában végzi. Mivel azonban a membrán nagyobb poláros és töltött molekulák számára nem áteresztő, ezt a transzportot speciális, az evolúció által e célra alkotott membránfehérjék bonyolítják le (ld. ioncsatornák). A másik mechanizmus, amivel a sejt és környezete kommunikálhat egymással elektrosztatikus jellegű. A membrán két oldala között egy potenciálkülönbség alakul ki, ezt nevezzük nyugalmi potenciálnak. Ha ez a potenciálkülönbség megváltozik, az egy elektromos ingert jelent a sejt számára. Ezt az ingert az erre célra szolgáló sejtek, az idegsejtek továbbítják az ún. akciós potenciál formájában.
Szimulációink során mindkét jelenséget tanulmányozzuk már csak azért is, mert szorosan összefüggenek: az ioncsatornákon át folyó ionáram megváltoztatja a membránpotenciált, illetve a membránpotenciál megváltozása nyitja az ioncsatornákat.
Ioncsatornák Az ioncsatornák olyan membránfehérjék, amelyek „átfúrják” a membránt és a közepükön egy pórus halad végig, amin az ionok egyszerű diffúzióval áthaladhatnak. Az ioncsatornák lehetnek nyitott vagy zárt állapotban, ezen állapotok között külső (elektromos vagy kémiai) inger hatására váltanak. Továbbá rendkívül szelektívek lehetnek, ami azt jelenti, hogy egy adott iont sokkal nagyobb valószínűséggel engednek át, mint egy másik iont. A nevüket is gyakran ezen ionok után kapják, mint pl. a nátriumcsatornák vagy a kalciumcsatornák. A csatornák szelektivitása egy szűk térrészben, a szelektív szűrőben dől el. Vizsgálataink során főként ezt a részt modellezzük és a szelektivitási mechanizmusokra koncentrálunk. Mind az ionoknak a szűrőben való szelektív megkötődését, mind az ionoknak a csatornán keresztül való szelektív áramát vizsgálat alá vesszük.
Mesterséges nanopórusok Ezeket a nanopórusokat úgy alakítják ki, hogy egy műanyagfólián „átlőnek” egy nehéziont, majd az így keletkezett szűk járatot savas kezeléssel tágítják. Ily módon kúp alakú pórusokat kapnak, amelyek felületére kémiai kezeléssel vagy egyszerűen a pH beállításával töltéseket lehet felvinni. Ezen pórusok vizsgálatát sok esetben az ioncsatornák motiválták, ezért sokszor nevezik őket bioutánzó pórusoknak is. Vizsgálatukat az indokolja, hogy sokkal stabilabbak, olcsóbbak, és könnyebben vizsgálhatók, mint az ioncsatornák. Szelektivitási és vezetési mechanizmusuk viszont sokszor ugyanazokon a fizikai elveken nyugszik. Fontos továbbá, hogy a manapság egyre nagyobb figyelmet kapó elektrokémiai kondenzátorok (szuperkondenzátorok) hasonló elveken működnek. Ezek vizsgálata szintén a terveink között van.
Kísérleti vizsgálatok kimutatták, hogy ezeknek a nanopórusoknak nagyon érdekes tulajdonságai lehetnek. Egyenirányításra lehet pl. használni őket. Ennek révén ionpumpák készítésére használhatók. A felületi töltéseloszlás mintázatának szabályozásával szelektívvé tehetők. Ez ionszelektív membránok készítésére ad lehetőséget. Modellezéssel és szimulációval mindezen jelenségek jól vizsgálhatók. Megérthetjük azokat a mikroszkopikus szintű mechanizmusokat , amik ezeket folyamatokat irányítják, így javaslatokat tehetünk céljainknak megfelelő nanopórusok készítésére. A jobb oldali ábra pl. egy egyenirányító P-N nanopórus (negatív és pozitív töltéseloszlással rendelkezik, mint egy P-N dióda) egyenirányító tulajdonságát mutatja, amit szimulációkkal kaptunk.
Mit kaphatsz a munkában való részvételtől? Elsősorban szemléletmódot. Megértheted, hogy a szemünk előtt zajló makroszkopikus folyamatokat mikroszkopikus erők irányítják, azok határozzák meg, hogy mit észlelünk a műszereinkkel. Ez egy komplex munka: 1. a modellek fizikai alapon működnek, jobban megismerjük tehát a mechanika (a részecskék a mechanika – Newton – törvényeinek engedelmeskedve „röpködnek”, végzik hőmozgásukat) és az elektrodinamika (a részecskék között ható erők alapvetően elektrosztatikus jellegűek – Coulomb) törvényeit. 2. Ezek a rendszerek egy különböző termodinamikai állapotjelzőkkel jellemzett makroszkopikus sokaságban vannak jelen: rögzített pl. a hőmérséklet vagy az elektrolit összetétele (koncentrációk). A transzportot is ezen termodinamikai állapotjelzők különbözősége (gradiense) hajtja. Mélyebben megismerjük tehát a fizikai kémia alapvető területeit: statisztikus és fenomenologikus termodinamika, elektrokémia, transzportfolyamatok, stb. 3. Fizikai modelljeinket a matematika nyelvén fogalmazzuk meg. Megismerkedhetünk a vektoranalízis és a numerikus eljárások alapelveivel. Láthatjuk a matematikát „akció közben”, nemcsak elvont képletek formájában. Önbizalmat és jártasságot kaphatunk a matematika praktikus használatát illetően. 4. A modelljeinket egy számítógépes program formájában alkotjuk meg és a szimulációkat is számítógépen futtatjuk. Megtanulhatjuk a programozás alapjait (Fortran nyelven, de ez részletkérdés), megtanulhatjuk, hogyan kezeljük a szimulációkat a számítógépes klaszteren (http://guruz.hu/~dezo/Boda-sajat/Rush/abakus.html), hogyan írjunk szkripteket, hogyan dolgozzuk fel hatékonyan az eredményeinket, és hogy hogyan ábrázoljuk őket. Mindezt Linux környezetben, ami erre a munkára sokkal alkalmasabb. Megismerkedhetünk tehát a Windows mellett egy másik operációs rendszerrel is. 5. Eredményeinkből tudományos publikációt és/vagy TDK dolgozatot írhatunk. Erre
elsősorban a LaTeX szövegszerkesztő rendszert használjuk. Megismerkedhetünk ennek a rendszerrel az előnyös tulajdonságaival, megtanulhatjuk a használatát.
Mik az elvárások? Kíváncsiság, nyitottság.
További részletek: http://guruz.hu/~dezo/Boda-sajat/ E-mail:
[email protected] Telefon: +36/88/62-4325 Skype: bodadezso
