«Наша новая техника позволяет нам моделировать гораздо более крупные и сложные полиэлектролитные системы, причем делать это намного быстрее», — говорит Нан Ли, ведущий автор статьи о работе и доктор философии. студент факультета материаловедения и инженерии штата Северная Каролина. «Это большой шаг вперед в этой области».Полиэлектролиты — это цепочки молекул, которые при помещении в воду заряжаются положительно или отрицательно. Поскольку полиэлектролиты чувствительны к изменениям в окружающей среде, они перспективны для использования в таких приложениях, как механизмы доставки лекарств. Термин "полиэлектролитная система" относится к любому набору молекул, которые каким-либо образом взаимодействуют и включают полиэлектролиты.
Исследователи заинтересованы в вычислительных моделях, которые моделируют поведение полиэлектролитных систем, потому что эти модели могут быть использованы для определения того, какие полиэлектролиты с наибольшей вероятностью будут иметь желаемые характеристики для использования в различных приложениях. Модели также можно использовать, чтобы помочь исследователям понять поведение полиэлектролитных систем, таких как ДНК, РНК или синтетические ионные полимеры.Полиэлектролитные системы сложно моделировать, потому что системы могут быть большими и включать множество ионов, которые могут взаимодействовать с полиэлектролитами, изменяя фактический заряд, форму, свойства и поведение полиэлектролитов.
Изменение заряда влияет на то, как полиэлектролиты взаимодействуют друг с другом. Чем больше ионов в системе, тем больше вероятность притяжения полиэлектролитов друг к другу.
Это взаимодействие полиэлектролитов изменяет поведение и характеристики всей системы.«Проблема в том, что отслеживание всех взаимодействий иона с полиэлектролитом требует больших вычислительных мощностей», — говорит Ли. «Мы разработали более эффективный метод учета влияния ионов, который позволяет нам использовать меньше вычислительной мощности и получать более быстрые результаты. Вычислительные затраты на расчет электростатических взаимодействий между ионами и полиэлектролитами сводятся к нулю, потому что параметр уже учтен в существующей модели ".«Предыдущие методы моделирования использовали явный подход, учитывающий каждый отдельный ион», — говорит Уильям Фасс, студент NC State и соавтор статьи. «В нашей методике используется неявный подход, поэтому мы называем его« методом неявной ионной силы растворителя »или ISIS.
Мы используем один параметр для управления влиянием ионов в модели динамики диссипативных частиц, которая уже используется широкое использование. Это означает, что наш метод может быть легко реализован любым, кто использует программное обеспечение DPD ».
Используя метод ISIS, исследователи могут идентифицировать потенциальных кандидатов в полиэлектролитную систему для применения, а затем контролировать поведение полиэлектролитов, изменяя количество ионов в системе. Это достигается за счет увеличения концентрации солей в системе, поскольку все соли в водном растворе являются ионными.
Видео с использованием модели ISIS для иллюстрации поведения полиэлектролитной системы можно посмотреть на сайте www.youtube.com/watch?v=HdY7VqgWzzA. Видео демонстрирует самособирание полиэлектролитных диблок-сополимеров в водном растворе.