Simuleringsbild som visar självmontering av två MNP under ett magnetfält. Kredit:Yaroslava Yingling och Akhlak Ul-Mahmood
Forskare vid North Carolina State University har utvecklat ett nytt beräkningsverktyg som tillåter användare att utföra simuleringar av multifunktionella magnetiska nanopartiklar i oöverträffad detalj. Framstegen banar väg för nytt arbete som syftar till att utveckla magnetiska nanopartiklar för användning i applikationer från läkemedelsleverans till sensorteknologier.
"Självmonterande magnetiska nanopartiklar, eller MNP, har många önskvärda egenskaper", säger Yaroslava Yingling, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en framstående professor i materialvetenskap och teknik vid NC State. "Men det har varit utmanande att studera dem, eftersom beräkningsmodeller har kämpat för att ta hänsyn till alla krafter som kan påverka dessa material. MNP:er är föremål för ett komplicerat samspel mellan externa magnetfält och van der Waals, elektrostatiska, dipolära, steriska, och hydrodynamiska interaktioner."
Många tillämpningar av MNP kräver en förståelse för hur nanopartiklarna kommer att bete sig i komplexa miljöer, som att använda MNP för att leverera ett specifikt protein eller läkemedelsmolekyl till en riktad cancerangripen cell med hjälp av externa magnetfält. I dessa fall är det viktigt att noggrant kunna modellera hur MNP:er kommer att reagera på olika kemiska miljöer. Tidigare beräkningsmodelleringstekniker som tittade på MNP:er kunde inte redogöra för alla de kemiska interaktioner som MNP:er upplever i en given kolloidal eller biologisk miljö, utan fokuserade i första hand på fysiska interaktioner.
"Dessa kemiska interaktioner kan spela en viktig roll i MNP:s funktionalitet och hur de reagerar på sin miljö", säger Akhlak Ul-Mahmood, första författare till artikeln och doktor. student vid NC State. "Och detaljerad beräkningsmodellering av MNP:er är viktig eftersom modeller erbjuder en effektiv väg för oss att konstruera MNP:er för specifika applikationer.
"Det är därför vi har utvecklat en metod som står för alla dessa interaktioner och skapat programvara med öppen källkod som materialvetenskapsgemenskapen kan använda för att implementera den."
"Vi är optimistiska att detta kommer att underlätta betydande ny forskning om multifunktionella MNP," säger Yingling.
För att demonstrera det nya verktygets noggrannhet fokuserade forskarna på oljesyraligandfunktionaliserade magnetitnanopartiklar, som redan har studerats och är välkända.
"Vi fann att vårt verktygs förutsägelser om beteendet och egenskaperna hos dessa nanopartiklar överensstämde med vad vi vet om dessa nanopartiklar baserat på experimentell observation", säger Mahmood.
Dessutom erbjöd modellen också nya insikter om beteendet hos dessa MNP:er under självmontering.
"Vi tycker att demonstrationen inte bara visar att vårt verktyg fungerar, utan även belyser det extra värde som det kan ge när det gäller att hjälpa oss förstå hur man bäst konstruerar dessa material för att dra nytta av deras egenskaper", säger Yingling.
Uppsatsen, "All-Atom Simulation Method for Zeeman Alignment and Dipolar Assembly of Magnetic Nanoparticles," publiceras i Journal of Chemical Theory and Computation . + Utforska vidare
