Počítačový návrh funkčních molekulárních systémů na površích krystalů

Text

Organická chemie na površích krystalů ve spojení s rastrovacími mikroskopy představuje unikátní nástroj k prototypování molekulárních strojů a ke studiu jejich funkce [1]. Tento vznikající obor ale zatím postrádá teoretické zázemí a simulační software, které by byly srovnatelné se situací např. v biochemií. V projektu se pokusíme překonat tato omezení a s pomocí počítačových simulací navrhnout univerzální molekulární architekturu (inspirovanou DNA origami [2]), která se sama od sebe sestavuje do předprogramovaných struktur na atomárně hladkém povrchu krystalu. Tyto molekuly by též mohly sloužit k řízení sestavování jiných funkčních molekulárních komponent (například molekulárních přepínačů, transistorů, pamětí, motorů nebo fotoaktivních center) do složitějších celků. Projektem se snažíme započít cestu, která může v dlouhodobém horizontu vést až k masové produkci molekulárních počítačů a dalších složitých nanostrojů.

Počítačový návrh molekul bude prováděn za pomoci nově vyvíjeného simulačního software, kombinujícího kvantové výpočetní metody [3] a klasická silová pole optimalizovaná pro bezvodé prostředí. Od studenta se předpokládá účast na vývoji tohoto software, a proto je žádoucí předchozí zkušenost s programováním (nebo přinejmenším zájem se programování učit). Počítačové simulace prováděné studentem a vyvíjený software budou v rámci spoluprací s předními světovými laboratořemi [4] poskytovat teoretickou podporu AFM/STM experimentům.

  1. Towards single molecule switches
    Zhang, J. L., et al., Chemical Society Reviews 44(10), 2998–3022 (2015).
  2. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology
    Pinheiro, A. V., et al., Nature Nanotechnology 6(12), 763–772 (2011).
  3. FIREBALL/AMBER: An efficient local-orbital DFT QM/MM method for biomolecular systems
    Mendieta-Moreno, J. I., et al., Journal of Chemical Theory and Computation 10(5), 2185–2193 (2014).
  4. The effect of hydration number on the interfacial transport of sodium ions
    Peng, J., et al., Nature 557(7707), 701–705 (2018).