- 14,613
- 22
- 8 Ноя 2022
Физики нашли способ управлять частицами в наномире.
Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся опубликовал результаты необычного исследования: ученые разработали молекулярную систему в форме паука , которая умеет извлекать частицы из коллоидных структур. Работу возглавил Райан К. Крюгер, причем все соавторы внесли в исследование равноценный вклад. Статью опубликовал журнал Physical Review Letters.
Врачи все чаще стремятся назначать пациентам индивидуально подобранные лекарства, которые воздействуют на конкретные участки организма. Чтобы такое лечение стало доступным для всех, молекулы должны уметь выполнять определенные задачи внутри биологических структур. Особенно это важно для генной терапии и точечной доставки лекарств.
Ученые взялись за икосаэдрические оболочки – структуры из 12 частиц, которые соединяются 30 внешними ребрами. По строению они похожи на белковые капсиды вирусов. Для экспериментов команда выбрала коллоиды – смеси веществ, где мельчайшие нерастворимые частицы распределены в другом веществе. С коллоидами мы сталкиваемся каждый день: это молоко, дым, желатин.
Двадцать лет назад ученые, которые изучали мягкие материалы, предложили концепцию пятнистых частиц. Сегодня она получила новое развитие благодаря программам, которые умеют моделировать такие частицы. Пятнистость на поверхности частиц оболочки можно менять, что позволяет управлять их поведением.
В компьютерной модели икосаэдрическая оболочка оставалась неподвижной, а "паук" мог сесть на любую ее частицу и взаимодействовать с ней. Ученые настроили параметры пятен так, чтобы "паук" в целом не притягивался к оболочке и не отталкивался от нее. При этом верхняя частица пирамиды притягивалась к пятнам на частицах оболочки, причем силу притяжения можно было регулировать.
Чтобы описать, как частицы взаимодействуют друг с другом, исследователи применили потенциал Морса. Эту математическую модель часто используют, когда изучают, как взаимодействуют атомы в двухатомных молекулах. В модели есть три параметра, которые можно настраивать под конкретную задачу. Чтобы высвободить пойманную частицу, нужно сначала удалить одну частицу оболочки.
Ученые могли менять размеры "паука", радиусы его головной и базовых частиц. Они использовали молекулярную динамику – метод, который рассчитывает, как движется каждая частица под действием сил других частиц. Перебрать вручную все возможные параметры, чтобы найти идеальную конфигурацию, потребовало бы слишком много времени и вычислительной мощности.
Поэтому команда обратилась к машинному обучению. Оно помогло найти баланс: нужно было разобрать оболочку и при этом сохранить остальную структуру целой. После того как ученые создали жесткого "паука", они добавили ему гибкость – новый параметр, который назвали "настраиваемой энтропией".
При создании молекулярной системы исследователи столкнулись со сложной задачей: как найти золотую середину между способностью разбирать оболочку и умением сохранять стабильность оставшейся структуры. Решение нашлось в тонкой настройке параметров взаимодействия.
Когда ученые оптимизировали параметр гибкости, энергия, необходимая для освобождения пойманной частицы, заметно снизилась. "Паук" с несимметричными гибкими ножками справлялся с задачей гораздо лучше, чем изначальная симметричная конструкция с пятиугольным основанием.
Метод, который разработали ученые, поможет воплотить в жизнь теоретические модели – раньше это было сложно из-за того, что энергию взаимодействия трудно точно настроить. Подход основан на прямой оптимизации численно интегрированной динамики, поэтому его можно применять для изучения самых разных систем в науке и медицине.
Для просмотра ссылки Войди
Врачи все чаще стремятся назначать пациентам индивидуально подобранные лекарства, которые воздействуют на конкретные участки организма. Чтобы такое лечение стало доступным для всех, молекулы должны уметь выполнять определенные задачи внутри биологических структур. Особенно это важно для генной терапии и точечной доставки лекарств.
Ученые взялись за икосаэдрические оболочки – структуры из 12 частиц, которые соединяются 30 внешними ребрами. По строению они похожи на белковые капсиды вирусов. Для экспериментов команда выбрала коллоиды – смеси веществ, где мельчайшие нерастворимые частицы распределены в другом веществе. С коллоидами мы сталкиваемся каждый день: это молоко, дым, желатин.
Двадцать лет назад ученые, которые изучали мягкие материалы, предложили концепцию пятнистых частиц. Сегодня она получила новое развитие благодаря программам, которые умеют моделировать такие частицы. Пятнистость на поверхности частиц оболочки можно менять, что позволяет управлять их поведением.
В компьютерной модели икосаэдрическая оболочка оставалась неподвижной, а "паук" мог сесть на любую ее частицу и взаимодействовать с ней. Ученые настроили параметры пятен так, чтобы "паук" в целом не притягивался к оболочке и не отталкивался от нее. При этом верхняя частица пирамиды притягивалась к пятнам на частицах оболочки, причем силу притяжения можно было регулировать.
Чтобы описать, как частицы взаимодействуют друг с другом, исследователи применили потенциал Морса. Эту математическую модель часто используют, когда изучают, как взаимодействуют атомы в двухатомных молекулах. В модели есть три параметра, которые можно настраивать под конкретную задачу. Чтобы высвободить пойманную частицу, нужно сначала удалить одну частицу оболочки.
Ученые могли менять размеры "паука", радиусы его головной и базовых частиц. Они использовали молекулярную динамику – метод, который рассчитывает, как движется каждая частица под действием сил других частиц. Перебрать вручную все возможные параметры, чтобы найти идеальную конфигурацию, потребовало бы слишком много времени и вычислительной мощности.
Поэтому команда обратилась к машинному обучению. Оно помогло найти баланс: нужно было разобрать оболочку и при этом сохранить остальную структуру целой. После того как ученые создали жесткого "паука", они добавили ему гибкость – новый параметр, который назвали "настраиваемой энтропией".
При создании молекулярной системы исследователи столкнулись со сложной задачей: как найти золотую середину между способностью разбирать оболочку и умением сохранять стабильность оставшейся структуры. Решение нашлось в тонкой настройке параметров взаимодействия.
Когда ученые оптимизировали параметр гибкости, энергия, необходимая для освобождения пойманной частицы, заметно снизилась. "Паук" с несимметричными гибкими ножками справлялся с задачей гораздо лучше, чем изначальная симметричная конструкция с пятиугольным основанием.
Метод, который разработали ученые, поможет воплотить в жизнь теоретические модели – раньше это было сложно из-за того, что энергию взаимодействия трудно точно настроить. Подход основан на прямой оптимизации численно интегрированной динамики, поэтому его можно применять для изучения самых разных систем в науке и медицине.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
