Nyt værktøj tillader hidtil uset modellering af magnetiske nanopartikler

Forskere ved North Carolina State University har udviklet et nyt beregningsværktøj, der giver brugerne mulighed for at udføre simuleringer af multifunktionelle magnetiske nanopartikler i hidtil usete detaljer. Fremskridtet baner vejen for nyt arbejde med henblik på at udvikle magnetiske nanopartikler til brug i applikationer fra lægemiddellevering til sensorteknologier.

"Selvsamlende magnetiske nanopartikler, eller MNP'er, har en masse ønskværdige egenskaber," siger Yaroslava Yingling, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en fremtrædende professor i materialevidenskab og teknik ved NC State. "Men det har været udfordrende at studere dem, fordi beregningsmodeller har kæmpet for at redegøre for alle de kræfter, der kan påvirke disse materialer. MNP'er er genstand for et kompliceret samspil mellem eksterne magnetiske felter og van der Waals, elektrostatiske, dipolære, steriske, og hydrodynamiske interaktioner."

Mange anvendelser af MNP'er kræver en forståelse af, hvordan nanopartiklerne vil opføre sig i komplekse miljøer, såsom at bruge MNP'er til at levere et specifikt protein eller lægemiddelmolekyle til en målrettet cancerramt celle ved hjælp af eksterne magnetfelter. I disse tilfælde er det vigtigt at være i stand til nøjagtigt at modellere, hvordan MNP'er vil reagere på forskellige kemiske miljøer. Tidligere beregningsmodelleringsteknikker, der så på MNP'er, var ikke i stand til at redegøre for alle de kemiske interaktioner, MNP'er oplever i et givet kolloidt eller biologisk miljø, og fokuserede i stedet primært på fysiske interaktioner.

"Disse kemiske interaktioner kan spille en vigtig rolle i funktionaliteten af ​​MNP'erne, og hvordan de reagerer på deres miljø," siger Akhlak Ul-Mahmood, første forfatter af papiret og en ph.d. studerende ved NC State. "Og detaljeret beregningsmodellering af MNP'er er vigtig, fordi modeller tilbyder en effektiv vej for os til at konstruere MNP'er til specifikke applikationer.

"Det er derfor, vi har udviklet en metode, der tager højde for alle disse interaktioner, og skabt open source-software, som materialevidenskabssamfundet kan bruge til at implementere det."

"Vi er optimistiske om, at dette vil lette betydelig ny forskning om multifunktionelle MNP'er," siger Yingling.

For at demonstrere nøjagtigheden af ​​det nye værktøj fokuserede forskerne på oliesyreligandfunktionaliserede magnetitnanopartikler, som allerede er blevet undersøgt og er velforståede.

"Vi fandt ud af, at vores værktøjs forudsigelser af disse nanopartiklers adfærd og egenskaber var i overensstemmelse med, hvad vi ved om disse nanopartikler baseret på eksperimentel observation," siger Mahmood.

Derudover tilbød modellen også ny indsigt i disse MNP'ers adfærd under selvsamling.

"Vi mener, at demonstrationen ikke kun viser, at vores værktøj virker, men fremhæver den ekstra værdi, det kan give i form af at hjælpe os med at forstå, hvordan man bedst kan konstruere disse materialer for at udnytte deres egenskaber," siger Yingling.

Artiklen, "All-Atom Simulation Method for Zeeman Alignment and Dipolar Assembly of Magnetic Nanoparticles," er offentliggjort i Journal of Chemical Theory and Computation . + Udforsk yderligere

Miljøvenlig metode til syntese af jernoxidnanopartikler