CC BY
25
УДК 539.8
От интерфейса между мягкой и твердой материей к био-самоорганизации и гибридным системам
А.А. Цуканов12, С.Г. Псахье12
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
В работе на молекулярном уровне исследовано взаимодействие заряженных и нейтральных биомолекул с 2D-наноструктурами оксигидроксида алюминия, характеризующимися кривизной и дефектностью. С использованием управляемой молекулярной динамики и анализа потенциала средней силы получены количественные результаты, характеризующие адсорбционные свойства поверхности нанолиста оксигидроксида алюминия AlOOH по отношению к типичным представителям анионных, катионных и незаряженных биомолекул — аминокислотных остатков. Результаты проанализированы и сопоставлены с литературными данными и собственными результатами предшествующих работ. С использованием несмещенной молекулярной динамики оценены функции радиального распределения между различными парами атомов поверхности нанолиста AlOOH и адсорбата, исследовано влияние кривизны и поверхностных дефектов в виде вакансий гидроксильных групп на взаимодействие указанного наноматериала с моновалентными ионами. По результатам комбинированного молекулярно-динамического и квантово-механического расчета выявлены характерные элементы структуры различной кривизны нанолиста AlOOH, оценено влияние краевых зон в форме складки на локальные электростатические свойства наноматериала. Обсуждаются роль указанных факторов в селективной адсорбции наноматериала и перспективные направления численных и экспериментальных исследований в этом направлении. Работа является продолжением цикла исследований, посвященных синтезу, характеризации и применению низкоразмерных наноструктур со сложной морфологией на основе слоистого (окси)гидроксида алюминия в биомедицинских приложениях и материаловедении.
Ключевые слова: низкоразмерные наноструктуры, кривизна и дефекты поверхности, краевые дефекты, парциальный заряд, гидроксид алюминия, адсорбция, биомолекулы, ионы, молекулярная динамика
From the soft matter-hard matter interface to bio-self-organization
and hybrid systems
A.A. Tsukanov12 and S.G. Psakhie12
1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
The molecular investigation of the interaction of charged and neutral biomolecules with 2D-nanostructures characterized by curvature and defects is performed by an example of aluminum oxyhydroxide. Steered molecular dynamics and the potential of mean force analysis are used for quantitative assessment of adsorption properties of the AlOOH surface for typical representatives of anionic, cationic and uncharged biomolecules—amino acid residues. The results are analyzed and compared with the literature data and own previous results. Unbiased molecular dynamics is employed to estimate radial distribution functions of different atom pairs of the nanomaterial surface and adsorbate surface as well as to study how curvature and surface defects in the form of vacancies of hydroxyl groups influence the interaction of the nanomaterial with monovalent ions. The combined molecular dynamics and quantum mechanical calculation reveals characteristic structural elements with different curvature of the AlOOH nanosheet and enables an estimation of the effect of edge zones in the form of folds on local electrostatic properties of the nanomaterial. The role of these factors in the selective adsorption of nanomaterials and future directions of numerical and experimental studies are discussed. The work is a further investigation into the synthesis, characterization, and application of low-dimensional nanostructures with complex morphology based on layered aluminum (oxy)hydroxide in bio-medicine and materials science.
Keywords: low-dimensional nanostructures, curvature and surface defects, edge defects, partial charge, aluminum hydroxide, adsorption, biomolecules, ions, molecular dynamics
1 Введение ми, являются предметом исследований науки о мягкой
Кластеры, ансамбли, материалы и системы, элемен- материи и привлекают все большее внимание специа-ты которых характеризуются слабыми взаимодействия- листов из различных областей науки. Это связано с мно-
© Цуканов A.A., Псахье С.Г., 2017
гообразием структурных состояний таких объектов и, как следствие, с их сложным поведением, в частности способностью к самоорганизации [1] и формированию сложных функциональных молекулярных комплексов из относительно простых строительных блоков [2]. Возникновение жизни — одно из проявлений такого поведения.
Роль интерфейсных контактов на границе раздела «soft matter - hard matter» определяется особенностями свойств поверхности. В ряде случаев поверхностные свойства, такие как структурные состояния, распределение заряда, а также возможные изменения этих и других параметров при относительно незначительных изменениях внешней среды или условий, могут играть ключевую роль в формировании, самосборке и функционировании сложных, в том числе супрамолекулярных структур. С этой точки зрения использование слоистых структур с поверхностными центрами, способными к участию в формировании слабых связей (солевые мостики, водородные связи и др.), является многообещающим подходом с учетом широких возможностей управления процессами и изменением состояний в молекулярных биологических системах. Гидроксиды металлов с этой точки зрения являются перспективным классом веществ. В частности, важным фактором является отмеченная в работе [3] роль дефектности при взаимодействии с биомолекулами.
Ключом к пониманию закономерностей и роли границ раздела «soft matter - hard matter» при формировании процессов структурной трансформации сложных систем, в том числе биологических или гибридных, являются локальные интерфейсные области, зоны и элементарные контакты. На изучение последних и направлена данная работа.
Природные и синтетические материалы на основе гидроксидов металлов, характеризующиеся слоистой наноструктурой, имеют большое количество активных центров на поверхности, способных к образованию не-ковалентных связей. Формированию слоистыми гидро-ксидами металлов супрамолекулярных гибридных орга-но-неорганических комплексов с различными биомолекулами посвящено множество теоретических и экспериментальных исследований, например [4-7].
Особое место среди слоистых гидроксидов занимают низкоразмерные наноструктуры гидроксида и окси-гидроксида алюминия, поверхность которых благодаря амфотерным свойствам может приобретать положительный или отрицательный заряд. Уникальные кислотно-основные, электростатические и сорбционные свойства, а также биосовместимость, химическая устойчивость и низкая токсичность определяют высокий потенциал применения наночастиц и наноматериалов на основе (окси)гидроксидов алюминия в таких практических областях, как очистка воды [8], обеззараживание
[9], химический катализ [10, 11], разработка композиционных материалов с 2D-компонентами [12], регулирование pH и ионного состава среды [13], что может использоваться как в химической промышленности, так и в различных биомедицинских приложениях [14]. Различные условия синтеза позволяют получать 2D-mro-структуры на основе AlOOH с различной морфологией и физико-химическими свойствами [15, 16]. При этом наночастицы с близким химическим составом, но различной морфологией или структурой поверхности могут обладать значительно различающимися свойствами. Одновременно важным фактором является кривизна поверхности наноструктуры, ее кристалличность или аморфность, размер и форма монокристаллических доменов, структура границ и краевых зон, а также наличие дефектов различной природы. В работе [17] с использованием квантово-механического подхода показано, что нерегулярности на поверхности AlOOH в виде выступов-ступенек облегчают перенос заряда на границе раздела между материалом и водной фазой. В работе [3] с использованием полноатомной модели молекулярной динамики было качественно показано, что наличие дефектов на поверхности нанолиста псевдобе-мита в виде вакансий гидроксильных групп способствует усилению адсорбции органических анионов. Тем не менее взаимодействие регулярных и нерегулярных наноструктур оксигидроксида алюминия с органическими ионами и биомолекулами остается мало изученным. В частности, нет доступных количественных данных, характеризующих адсорбционные свойства материала по отношению к аминокислотам, пептидам и белкам. Также в достаточной мере не изучен вопрос влияния дефектности различного генезиса на адсорбционные и электростатические свойства 2D-наноструктур оксигидроксида алюминия.
В настоящей работе предлагается, во-первых, с использованием управляемой молекулярной динамики и анализа потенциала средней силы (PMF) получить количественные данные — оценку свободной энергии адсорбции на регулярной поверхности AlOOH трех молекул аминокислотных остатков с различным зарядом: аниона аспарагиновой аминокислоты (Asp), катионной молекулы аргинина (Arg) и нейтральной молекулы глицина (Gly); во-вторых, с использованием несмещенной молекулярной динамики оценить функции радиального распределения между различными парами атомов на-нолиста AlOOH с поверхностными дефектами в виде вакансий OH-групп и растворенных моновалентных ионов; и, в-третьих, с использованием комбинированного молекулярно-динамического и квантово-механического расчета определить характерные формы устойчивых изгибов и складок нанолиста AlOOH и оценить их влияние на локальные электростатические свойства материала.
Mg/Al-СДГ
AlOOH
Рис. 1. Комбинированный процесс адсорбции-десорбции Asp аниона на поверхности AlOOH (а): серая штриховая кривая — профиль потенциала средней силы для прямого процесса (форсированной адсорбции), серая сплошная кривая — для обратного процесса (вынужденной десорбции), черная кривая — оценка профиля свободной энергии вдоль реакционной координаты; различия в конфигурациях анионов аспарагиновой аминокислоты в адсорбированном состоянии на поверхности нанолиста AlOOH (слева) и Mg/Al-СДГ (справа) (б). В случае слоистого двойного гидроксида (СДГ) плотность OH-групп на поверхности больше, чем для бемита. Обозначения атомов: Al — черный с ромбическим узором, Mg — темно-серый (СДГ), оксидный O — темно-серый (AlOOH), гидроксильный O — светло-серый (нанолисты), карбоксильный O — черный, H — белый, N — полосатый, C — светло-серый (адсорбат)
2. Результаты и обсуждение
2.1. Адсорбция органических ионов и биомолекул нанолистом слоистого оксигидроксида алюминия с регулярной структурой поверхности
Низкоразмерные наночастицы АЮОН и псевдо-бемита могут иметь значительную развитую удельную площадь поверхности [18]. Подавляющая доля поверхности при этом сформирована гидроксильной гранью элементарной ячейки кристалла АЮОН (рис. 1). Такая поверхность за счет наличия ориентированных полярных групп имеет положительный поверхностный заряд, поле от которого достаточно быстро убывает с расстоянием от поверхности ввиду нейтральности АЮОН, а также экранирования молекулами воды.
Для оценки адсорбционных свойств низкоразмерных наноструктур оксигидроксида алюминия по отношению к органическим ионам и биомолекулам была проведена серия численных экспериментов с использованием процедуры COPFEE [19, 20] для комбиниро-
ванного процесса адсорбции-десорбции (см. п. 3) аниона аспарагиновой аминокислоты (Asp), катионной молекулы аргинина (Arg) и нейтральной молекулы глицина (Gly) в цвиттерионном состоянии. В качестве адсорбента использовался нанолист оксигидроксида алюминия AlOOH с регулярной структурой (без дефектов, плоской геометрии).
Молекулы аминокислот, таких как аспарагиновая (Asp) и глютаминовая (Glu) кислоты, в свободном состоянии при физиологических pH одновременно являются анионами и цвиттерионами, аргинин (Arg), лизин (Lys) и гистидин (HSP) — катионами и цвиттерионами. В составе модельной молекулы Asp имеются две депро-тонированные карбоксильные группы, несущие локальный отрицательный заряд, и одна протонированная аминогруппа, имеющая положительный заряд. Одна карбоксильная группа компенсирует положительный заряд аминогруппы, в то время как вторая обеспечивает молекулу суммарным зарядом -1 электрон. Аналогичную
Рис. 2. Результат моделирования методом комбинированной управляемой молекулярной динамики для аргинина и хлора на поверхности АЮОН дает оценку -5.9 кДж/моль для аргинина (черная сплошная кривая) и -4.7 кДж/моль для хлора (серая пунктирная кривая). Обозначения атомов аналогичны обозначениям на рис. 1, б
структуру имеет молекула аниона Glu, за исключением длины боковой цепи, которая в последнем случае больше на одно -СН2-звено.
Комбинированный процесс управляемой адсорбции-десорбции аниона аспарагиновой аминокислоты на поверхности нанолиста AlOOH демонстрирует характерное поведение молекулы, адсорбция которой энергетически выгодна поверхностью адсорбата [19]. На рис. 1, а представлен полученный результат управляемой молекулярной динамики с константой скорости v = 0.01 нм/нс для оценки свободной энергии адсорбции. Профиль потенциала средней силы для прямого процесса — форсированной адсорбции (рис. 1, серая пунктирная кривая) — лежит выше кривой для обратного процесса—вынужденной десорбции (рис. 1, серая сплошная кривая). В качестве реакционной координаты было удобно выбрать расстояние z между центром масс молекулы-адсорбата и средней плоскостью нанолиста AlOOH. Оценка искомого профиля свободной энергии вдоль реакционной координаты, полученная с использованием процедуры COPFEE (рис. 1, черная кривая), имеет локальный минимум вблизи поверхности нано-листа в интервале расстояний z = 0.5-0.6 нм. Оценка свободной энергии адсорбции Asp имеет значение AG*js = -10 кДж/моль, что составляет порядка 4kT. При этом по расхождению профилей потенциала средней силы для прямого и обратного процессов видно, что часть вынужденного процесса является обратимой вплоть до расстояния >0.8 нм от середины нанолиста. В интервале 0.5-0.8нм процесс необратимый и вынужденная адсорбция-десорбция под действием управляющей силы сопровождается производством энтропии при выбранной скорости процесса (v = 0.01 нм/нс). Полу-
ширина коридора между прямым и обратным профилями дает оценку этой величины T8Sgen ~ 10 кДж/моль, что сопоставимо с самой оценкой свободной энергии адсорбции.
Результаты исследования управляемой молекулярной динамики адсорбции Asp нанолистом слоистого двойного гидроксида магния-алюминия [Mg4Al2(OH)12]2+2Cl-nH2O, полученные в [19, 21], свидетельствуют о том, что адсорбция Asp аниона энергетически выгодна на поверхности Mg/Al-СДГ, при этом глубина потенциальной ямы в 4-5 раз больше, чем в рассмотренном здесь случае адсорбции нанолистом AlOOH. Такое различие объясняется, во-первых, разной плотностью упаковки гидроксильных групп на поверхности нанолистов, которая выше в случае Mg/Al-СДГ (рис. 1, б), а во-вторых, большей плотностью поверхностного заряда Mg/Al-СДГ, что сказывается на количестве образуемых водородных связей и вклада в энергию электростатического взаимодействия между адсорбентом и адсорбатом. Различия конфигураций аминогруппы Asp аниона в адсорбированном состоянии на поверхности AlOOH и Mg/Al-СДГ можно видеть на рис. 1, б. На поверхности Mg/Al-СДГ обе карбоксильные группы задействованы в образовании водородных связей с гидроксильными группами нанолиста, при этом аминогруппа Asp аниона стремится занять наиболее удаленное положение от поверхности нанолиста ввиду электростатического отталкивания (рис. 1, б, справа). В случае оксигидроксида алюминия наблюдаемая при моделировании частота образования водородных связей между карбоксильными группами адсорбата и поверхностью нанолиста меньше, однако аминогруппа Asp аниона, в отличие от случая с Mg/Al-СДГ, задействована в формировании водородной
Рис. 3. Комбинированный процесс для оценки свободной энергии адсорбции глицина в цвитерионном состоянии на регулярной поверхности оксигидроксида А1. Полученная оценка свободной энергии адсорбции -5.9 кДж/моль совпадает с результатом для свободной энергии адсорбции аргинина
связи в качестве донора протона, но это не дает существенной прибавки к энергии связи (рис. 1, б, слева).
Стоит отметить, что оценка величины энтропийного члена в случае с Mg/Al- СДГ также велика и составляет 6 кДж/моль [19].
Молекула аргинина Arg в цвиттерионном состоянии имеет одну депротонированную COO-группу, одну аминогруппу с третьим протоном NH3+, а также гуани-диновую группу, обеспечивающую молекулу суммарным положительным зарядом +1 электрон. В случае адсорбции аргинина поверхностью нанолиста AlOOH (рис. 2) можно выделить три локальных минимума на PMF-профиле (M1-M3). Наблюдается образование связей как с карбоксильной, так и с аминогруппой в адсорбированном состоянии М1 с относительным уровнем свободной энергии AG*js = -5.9 кДж/моль. Вблизи менее выраженного локального минимума М2 наблюдается образование водородных связей с гуанидиновой группой, имеющей локальный положительный заряд и играющей роль донора протонов. Стоит отметить, что в М1 только один атом кислорода COO-группы участвует в образовании H-связей с поверхностью AlOOH. Несмотря на наличие положительного поверхностного заряда, связанного с присутствием ориентированных полярных OH-групп на поверхности нанолиста, адсорбция катионной молекулы Arg энергетически выгодна. Более того, профиль свободной энергии для аргинина имеет более глубокий минимум, чем в случае аниона хлора AG*js = -4.7 кДж/моль на поверхности AlOOH.
В работе [19] для аргинина на поверхности нанолиста Mg/Al-СДГ с использованием процедуры COPFEE получена оценка свободной энергии адсорбции AG*js = = -26 кДж/моль, для аниона хлора AG*js=-12 кДж/моль.
Причины такого различия с оценкой свободной энергии адсорбции для этих ионов на поверхности AlOOH, по-видимому, аналогичны рассмотренному варианту с анионом аспарагиновой аминокислоты — различие в структуре поверхности и поверхностной плотности заряда между AlOOH и Mg/Al-СДГ.
В отличие от молекул Asp и Arg аминокислот, имеющих ненулевой суммарный заряд, глицин Gly является нейтральной молекулой. При физиологических уровнях pH несвязанный глицин находится в цвитерионном состоянии. Молекула имеет карбоксильную и аминогруппу.
Оценка свободной энергии адсорбции для глицина на поверхности AlOOH имеет значение AG*js = = -5.9 кДж/моль, что совпадает с оценкой свободной энергии адсорбции для аргинина (рис. 3). Такой результат говорит в пользу того, что конфигурации молекул при адсорбции (в ближнем к поверхности локальном минимуме) как катионного аргинина, так и нейтрального глицина близки и определяются в большей мере взаимодействием гидроксильной поверхности нанолис-та с карбоксильной группой адсорбата как с акцептором и аминогруппой как донором протона, которых по одной в обоих случаях. Кроме того, ввиду нейтральности нанолиста AlOOH и быстрого затухания электрического поля OH-диполей на поверхности, а также ввиду сравнительно большой длины молекулы аргинина, имеющееся различие в суммарных зарядах Arg и Gly не проявляется в свободной энергии адсорбции. Это отличает характер взаимодействия нанолиста AlOOH с аминокислотами в цвиттерионном состоянии от их взаимодействия с поверхностью двойного слоистого гидро-ксида [19, 21].
Таблица 1
Свободная энергия адсорбции ионов и биомолекул нанолистами на основе гидроксида алюминия с регулярной структурой поверхности
Адсорбат Тип адсорбата Адсорбент AGads, кДж/моль Ссылка
1 Asp Анион, цвиттер-ион AlOOH -10
2 Arg Катион, цвиттер-ион AlOOH -5.9
3 Gly Цвиттерион AlOOH -5.9
4 Хлор Анион AlOOH -4.7
5 Гистамин+ Катион AlOOH -3.6 [19]
6 Asp Анион, цвиттер-ион [Mg4Al2(OH)12]2+2a- -49.6 ± 15.8 [21]
7 Asp Анион, цвиттер-ион [Mg4Al2(OH)12]2+2a- -45 [19]
8 Glu Анион, цвиттер-ион [Mg4Al2(OH)i2]2+2Cl- -53.3 ± 10.9 [21]
9 Glu Анион, цвиттер-ион [Mg4Al2(OH)12]2+2Cl- -40 [20]
10 Arg Катион, цвиттер-ион [Mg4Al2(OH)12]2+2Cl- -26 [19]
11 Хлор Анион [Mg4Al2(OH)12]2+2Cl- -8.7 ± 1.8 [21]
12 Хлор Анион [Mg4Al2(OH)12]2+2Cl- -12 [19]
Сопоставляя полученные оценки свободной энергии адсорбции для анионной, катионной и незаряженной аминокислот, можно заключить, что в адсорбции аминокислот поверхностью АЮОН ключевую роль играет количество депротонированных карбоксильных групп в молекуле адсорбата (т.к. по одной КН3+-группе есть у каждой аминокислоты). В этом случае знак (суммарного) заряда молекулы не влияет на характер адсорбции. Сделанное предположение также подтверждается результатами оценки свободной энергии адсорбции молекулы протонированного гистамина (гистамин+) на регулярной поверхности нанолиста АЮОН, рассмотренной в [19]. Гистамин не входит в группу 20 аминокислот, являющихся строительными единицами для белков и полипептидов, ввиду отсутствия С-терминальной карбоксильной группы, наличие которой необходимо для участия в пептидной связи с ^-терминалом других аминокислот. Таким образом, в составе молекулы гиста-мина имеется одна аминогруппа и нет карбоксильных групп. Профиль свободной энергии, полученный в [19] с использованием комбинированной управляемой молекулярной динамики с такой же константой скорости V = = 0.1 Е/нс, имеет два локальных минимума. Уровень свободной энергии минимума, соответствующего ближнему адсорбированному состоянию, при котором прото-нированная аминогруппа гистамина образует водородную связь с гидроксильным кислородом АЮОН, АС^ = -3.6 кДж/моль. Полученное значение сопоставимо с уровнем КТ ~ 2.6 кДж/моль при температуре 310К, тем не менее адсорбция молекулы, не имеющей карбоксильных групп, энергетически выгодна на поверхности АЮОН, хотя глубина потенциальной ямы заметно ниже, чем для органических молекул, имеющих карбоксильную группу [19].
Полученные оценки, а также оценки из литературных данных свободной энергии адсорбции ионов и биомолекул нанолистами на основе гидроксида алюминия с регулярной структурой поверхности сведены в табл. 1.
2.2. Влияние поверхностных дефектов в виде вакансий ОН-групп на электростатические свойства и взаимодействие нанолиста оксигидроксида алюминия с ионами биосреды
Низкоразмерные складчатые наноструктуры на основе гидроксида алюминия в общем случае имеют сложную морфологию, характеризуются наличием доменной структуры, аморфных и краевых зон, сгибов, что отличает их от рассмотренных в предыдущем разделе идеализированных моделей нанолистов с регулярной поверхностью. Наличие дефектных и краевых зон, а также границ доменов изменяет свойства наномате-риала, в том числе электростатические, кислотно-основные и адсорбционные, что влияет на характер и эффективность взаимодействия наноматериала с ионами, биомолекулами и клетками.
Для оценки роли дефектов на гидроксидной поверхности низкоразмерного оксигидроксида алюминия была проведена серия несмещенных молекулярно-динами-ческих расчетов нанолиста с дефектами в виде вакансий ОН-групп на поверхности в среде, насыщенной наиболее распространенными моновалентными ионами биологической среды (натрий, хлор, калий, бикарбонат-анион и свободный гидроксил-анион). В основе молекулярной динамики были использованы полноатомные модели нанолистов оксигидроксида алюминия с 2.6 % дефектов и регулярного нанолиста АЮОН из предыдущего исследования [3]. Модель бикарбонат-аниона НСО3- взята из работы [21].
Вч
С ог
0
Вч
С ог
0
Рис. 4. Радиальные функции распределения (RDF) для пар Al-ион, полученные из несмещенного молекулярно-динамического моделирования. Черная штриховая кривая — расчет с регулярной наноструктурой, сплошные кривые — расчет для нанолиста с 2.6 % дефектов: серая кривая для атома AI в регулярном положении, черная сплошная — для атома Al в дефекте. RDF для пары Al-Cl- (а); Al - атом C бикарбонат-аниона HCO3- (б); Al-Na+ (в); Al-K+ (г); Al-O (Г), где O — кислород свободного OH-аниона; Al-O молекулы воды (первый пик соответствует молекуле воды, занимающей вакантное место отсутствующей OH-группы) (е)
В течение расчета с помощью метода молекулярной динамики накапливались и анализировались радиальные функции распределения (RDF) для алюминия и алюминия в дефекте в паре с каждым из рассмотренных ионов и кислородом молекулы воды. Для возможности сопоставления был проведен дополнительный расчет нанолиста без дефектов и получены RDF-кривые для аналогичных пар атомов.
Результат молекулярно-динамического моделирования для случая с 2.6 % дефектов по сравнению с регулярным нанолистом представлен на рис. 4. Первые максимумы кривых RDF (черные сплошные кривые) на диаграммах для ионов Cl- и HCO3- указывают на то, что анионы накапливаются вблизи поверхностных де-
фектов нанолиста (рис. 4, а, б). В то же время для катионов и К+ имеет место обратный эффект — первые пики у RDF-кривых почти отсутствуют по сравнению с RDF-кривыми для пар тех же ионов с атомом А1 в регулярном положении (рис. 4, в, г). Радиальная функция распределения для атома А1 в паре со свободными гидроксил-анионами (рис. 4, д) указывает на существенное увеличение концентрации свободных ОН-анионов возле дефектов, при этом можно отметить, что положение пиков для кислорода ОН-аниона и кислорода молекулы воды близки (серый пунктир на рис. 4, д для атома О молекулы воды). Первый пик на кривой для атома О молекулы воды в паре с А1 в дефекте (рис. 4, е, черная сплошная линия) соответствует
— Al-K, регулярный
— Al-K, деф. 2.6 %
— А!(дефект)-К, деф. 2.6 %
- - Al-Na, регулярный
Al-Na, деф. 2.6 %
— А!(дефект)-№, деф. 2.6 %
r, нм
r, нм
Al-O, OH-анион, [Г деф. 2.6 %
Al-O, вода, деф. 2.6 % Al(дефект)-O, OH-анион, деф. 2.6 %
Al-O, вода, регулярный
Al-O, вода, деф. 2.6 %
Al(дефект)-O, вода, деф. 2.6 %
Рис. 5. Характерные 2D-наноструктуры в порядке увеличения их кривизны, формируемые нанолистом АЮОН. Устойчивые деформированные состояния по увеличению кривизны поверхности: сгиб (а), петля (б) и складка на 180° (в). Цветовые обозначения: А! — черный с ромбическим узором, О оксидный — белый полосатый, О гидроксидный — серый, Н — белый
молекуле воды, занимающей вакантное место отсутствующей поверхностной ОН-группы, что с точки зрения структуры материала эквивалентно протонирова-нию гидроксильной группы.
Таким образом, наблюдается локальный эффект от наличия дефектов в виде вакансии ОН-групп на поверхности оксигидроксида алюминия, состоящий в том, что концентрация анионов возрастает вблизи дефектных зон по сравнению с регулярными областями, что должно положительно влиять на эффективность адсорбции анионов. Концентрация катионов вблизи дефектов кратно уменьшается за счет сил электростатического отталкивания.
2.3. Влияние краевых дефектных зон в форме складки на локальные электростатические свойства нанолиста оксигидроксида алюминия
Двумерные нанообъекты помимо дефектов в структуре поверхности, обусловленных нарушением состава и упаковки атомов, могут иметь дефекты на границах монокристаллических доменов и в краевых зонах нано-листов, а также дефекты, связанные с изгибом нанолис-та в третьем измерении, ортогональном его плоскости.
С использованием классической молекулярной динамики при различных р-Т условиях исследовалось формирование изгибов и складок плоскости нанолиста оксигидроксида алюминия под действием внешней силы. Использовалась квазидвумерная постановка, при которой нанолист имел бесконечный размер вдоль одного из направлений, для чего вводились периодические граничные условия. К непериодическим границам нано-листа прикладывалась внешняя нагрузка. В процессе нагружения анализировались траектории атомов и полная энергия системы. На финальном шаге каждого расчета определялись формы устойчивых складок, петель и сгибов нанолиста. На рис. 5 представлены характерные структуры, формируемые одиночным бесконечным вдоль оси, перпендикулярной плоскости рисунка, нано-листом АЮОН под воздействием внешней нагрузки.
Выделяются такие устойчивые структуры, как «сгиб», «петля» и «складка» в порядке увеличения их кривизны (рис. 5, конфигурации а-в соответственно). Такие структуры стабилизируются образующимися водородными связями между контактирующими гидроксидными поверхностями нанолиста.
Ввиду нарушения межатомного расстояния в зонах изгибов и складок можно ожидать смещение электронной плотности на атомах металла и кислорода. Для количественной оценки изменения парциального заряда атомов, связанного с дефектом структуры нанолиста оксигидроксида алюминия, был проведен квантово-меха-нический расчет для системы в вакууме с использованием метода самосогласованного поля и базисных функций Хартри-Фока HF/6-31G** [22, 23]. Для этого был выбран относительно небольшой фрагмент структуры, содержащий 336 атомов, в области складки нанолиста на 180°, соответствующей конфигурации (в) на рис. 5.
Результат ab initio расчета малликеновских парциальных зарядов атомов AlOOH в зависимости от номера атома по криволинейной координате вдоль нанолиста представлен на рис. 6. Для всех четырех кривых сначала наблюдается рост абсолютных значений до «точки» перегиба, затем спад до начального уровня. В вершине наноструктуры парциальные заряды атомов принимают наибольшие значения по абсолютному значению.
Можно видеть, что в зоне складки на 180° абсолютные величины парциальных зарядов для атомов алюминия и оксидного кислорода на 15-20 % выше, чем в удаленной (регулярной) области. Дипольный заряд гид-роксильной группы также увеличен в зоне складки. Разница с соответствующими значениями в регулярной области 10-15 %. Сравнение парциальных зарядов для атомов Al, O, H приведено в табл. 2.
Таким образом, низкоразмерные наноструктуры оксигидроксида алюминия, обладающие скомканной и/ или складчатой структурой, а также с большей долей краевых и дефектных зон, будут иметь большее коли-
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Номер атома вдоль криволинейной координаты Номер атома вдоль криволинейной координаты
Рис. 6. Оценка парциальных зарядов атомов в области складки нанолиста AlOOH на 180° с использованием метода самосогласованного поля и базиса Хартри-Фока HF/6-31G**. По оси абсцисс указан номер атома, который монотонно связан с положением атома вдоль криволинейной координаты, всего 336 атомов. По оси ординат значение заряда в электронах (э). Маркеры соответствуют рассчитанным значениям, кривая — полином, построенный методом наименьших квадратов по полученным точкам
Алюминий
о o^f^ О " <>о
О,
❖ ❖ ^
Ю]
-0.7
" 0 50 100 150 200 250 300 Номер атома вдоль криволинейной координаты
-1.3
0 50 100 150 200 250 300 Номер атома вдоль криволинейной координаты
чество центров с повышенным «дипольным» электрическим зарядом и, вероятно, проявлять более сильные сорбционные свойства по отношению к заряженным и полярным молекулам, чем наночастицы с регулярной структурой поверхности.
3. Модели и методы
3.1. Численная процедура оценки свободной энергии адсорбции малых молекул и ионов поверхностью адсорбента
Для получения количественных оценок, характеризующих адсорбцию биомолекул и ионов регулярной поверхностью нанолиста оксигидроксида алюминия, применялась вычислительная процедура оценки свободной энергии адсорбции малых молекул в комбинированном (прямом и обратном) процессе адсорбции-десорбции COPFEE (combined process free energy estimation) [19, 20], базирующая на анализе потенциала средней силы PMF (potential of mean force analysis) [24]. Использование комбинации двух процессов позволяет снизить вклад энтропийного члена в оценку свободной энергии адсорбции малых молекул с использованием
термодинамического интегрирования в управляемом молекулярно-динамическом моделировании, а также экономить вычислительные ресурсы, проводя численный эксперимент с большей скоростью вынужденного процесса без существенной потери точности по сравнению со стандартной процедурой (однонаправленной) оценки PMF-профилей и дальнейшей их обработкой с использованием уравнения Жарзинского [25].
3.2. Описание моделей
Полноатомная модель нанолиста оксигидроксида алюминия А1ООН построена с использованием струк-
Таблица 2
Сопоставление парциальных зарядов атомов А1ООН вблизи
складки нанолиста и на некотором отдалении от него
Атом Вдали от складки, э Вершина складки, э Отношение, ед.
Al 1.43 1.69 1.18
°оксид -0.97 -1.15 1.19
°гидрокс -0.83 -0.96 1.16
H 0.37 0.42 1.11
турных данных из работы [26]. Для параметризации взаимодействий использовались потенциалы и заряды в соответствии с силовым полем CLAYFF [27] с ненулевыми параметрами Леннарда-Джонса для гидроксиль-ного протона r0 = 0.0449 нм, е = 0.046 ккал/моль [21]. Органические соединения описывались силовым полем CHARMM [28], для воды использовалась трехточечная модель TIP3P [29].
Начальный размер расчетной области составлял 1.6x1.8x4.2 нм. Моделирование проводилось в Npz T условиях, где pz означает, что размеры области x и y не изменялись в течение моделирования управляемой молекулярной динамики, а размер вдоль оси z динамически изменялся для обеспечения целевого давления в системе, T = 310 K, р = 1 атм. Расчетная область с периодическими граничными условиями содержала от 1100 до 1500 атомов, в зависимости от постановки, в том числе 300-400 молекул воды и противоионы натрия или хлора для сохранения электронейтральности расчетной ячейки. Начальное (и конечное) положение центра масс сорбируемой молекулы в комбинированном процессе составляло z = 1.4-1.5 нм, где z = 0 соответствует центральной плоскости нанолиста. Полное время каждого расчета методом управляемой молекулярной динамики — 80-120 нс.
Шаг интегрирования по времени составлял 1 фс в несмещенном молекулярно-динамическом моделировании и 2 фс в расчетах методом управляемой молекулярной динамики. Для подготовки моделей и визуализации использовались пакеты VMD [30] и Avogadro [31]. Параллельные расчеты методом молекулярной динамики и управляемой молекулярной динамики выполнены в пакете LAMMPS (Sandia National Laboratory) [32] с использованием технологии CUDA [33], квантово-механи-ческие расчеты проводились с использованием пакета NWChem [34] и ресурсов высокопроизводительного вычислительного кластера Ломоносов-2 НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова [35].
4. Заключение
Представленное исследование с использованием численных моделей как классической, так и управляемой молекулярной динамики, а также квантово-меха-нических расчетов является продолжением цикла исследований, посвященных синтезу, характеризации и применению низкоразмерных наноструктур на основе слоистых оксигидроксидов алюминия в биомедицинских приложениях и материаловедении.
С использованием PMF-анализа и COPFEE-проце-дуры получены количественные оценки, характеризующие адсорбционные свойства регулярной поверхности AlOOH по отношению к заряженным и незаряженным аминокислотным остаткам. Свободная энергия адсорб-
ции для катионного аргинина и нейтрального глицина в цвиттерионном состоянии оценивается в -5.9 кДж/моль, в то время как свободная энергия адсорбции для аниона аспарагиновой аминокислоты несколько больше по абсолютному значению -10 кДж/моль. Сопоставление полученных результатов между собой и сравнение с литературными данными дает основание предположить, что свободная энергия адсорбции молекул аминокислот на-нолистом АЮОН с регулярной структурой определяется в большей мере взаимодействием гидроксильной поверхности нанолиста с карбоксильными группами ад-сорбата как с акцепторами и аминогруппой как с донором протона. Это отличает адсорбцию аминокислот на-нолистом АЮОН от их адсорбции поверхностью двойного слоистого гидроксида, где аминогруппа молекулы адсорбата не участвует в образовании связей с поверхностью. Кроме того, за счет различия в плотности упаковки поверхностных ОН-групп и различия в поверхностной плотности заряда, глубина потенциальной ямы в ближнем локальном минимуме в случае Mg/Al-СДГ в 4-5 раз больше, чем для АЮОН нанолиста.
В несмещенном молекулярно-динамическом моделировании нанолиста АЮОН с дефектами в виде вакансии ОН-групп на поверхности наблюдался локальный эффект, при котором концентрация анионов С1- и НСО3-возрастает вблизи дефектных зон по сравнению с регулярными областями, что может усиливать адсорбцию. Концентрация катионов К+, напротив, кратно уменьшается вблизи дефектов за счет сил электростатического отталкивания. Дальнейшим развитием данной модели могло бы стать построение потенциалов для протонированной и депротонированной ОН-груп-пы, расчет парциальных зарядов и проведение серии симуляций управляемой молекулярной динамики с различной поверхностной плотностью -О - и -ОН2+ центров с целью оценки свободной энергии адсорбции для молекул и ионов.
Серия молекулярно-динамических расчетов полубесконечного нанолиста АЮОН в вакууме позволила определить характерные структуры, формируемые на-номатериалом под действием внешней нагрузки. Были выделены такие устойчивые формы, как «сгиб», «петля», «складка», структура которых стабилизируется образующимися водородными связями между контактирующими гидроксидными поверхностями нанолиста. В следствие нарушения межатомного расстояния в области складки абсолютные величины парциальных зарядов, оцененные в проведенном квантово-механичес-ком расчете, для атомов алюминия и оксидного кислорода на 15-20 % выше, чем в регулярной области, а для парциальных зарядов атомов кислорода и водорода гидроксильной группы эта разница оценивается в 10-15 %. Таким образом, краевые зоны в форме складок, а также изгибы нанолиста АЮОН, сопровождаю-
щиеся изменением кривизны поверхности, а следовательно, и межатомных расстояний, будут характеризоваться локальным повышением «дипольного» электростатического заряда, влияя на адсорбционные свойства и селективность нанолиста по отношению к типу молекулы адсорбата. Отметим, что природа влияния кривизны на изменение поверхностных свойств материалов показана в работе [36]. Оцененные из ab initio расчета значения парциальных зарядов можно использовать на следующем этапе для построения молекулярно-динамических моделей с целью оценки адсорбционных и селективных свойств наноматериала при адсорбции в краевых зонах, зонах сгибов, складок и т.д.
Полученные результаты показывают ключевую роль структуры поверхности и высокой плотности активных поверхностных центров, способных к образованию слабых связей, в формировании гибридных «soft matter -hard matter» систем. Благодаря «текстуре» упаковки поверхностных центров нанолиста оксигидроксида алюминия, а также их способности в зависимости от условий и состава среды приобретать положительный и отрицательный заряд, наноматериал может образовывать водородные связи с аминокислотами, выступая одновременно донором и акцептором протона, что, по всей видимости, отличает его от Mg/Al-СДГ. Кривизна поверхности нанолиста, нерегулярность и дефектность его структуры оказывают существенное влияние на локальные и мезоскопические свойства поверхности, усиливая электростатические и, как следствие, сорбцион-ные свойства материала, а также его способность к формированию устойчивых гибридных систем с биомолекулами. Более того, поведение подобных гибридных «soft matter - hard matter» систем, определяемое явлениями в зоне контакта, могло способствовать качественному скачку материалов/наноматериалов на новый уровень функциональной самоорганизации — зарождению жизни, которое могло произойти в глинистых минералах абиотическим путем [37].
Стоит отметить, что все представленные численные результаты, а также постановка дальнейших численных исследований требуют прямой или косвенной верификации и калибровки по экспериментальным данным.
Исследования проведены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 14-23-00096). Квантово-механические расчеты с использованием высокопроизводительных параллельных технологий выполнены в рамках Программы фундаментальных исследований государственных академий наук на 20132020 гг.
Литература
1. Theobald J.A., Oxtoby N.S., Phillips M.A., Neil R. Controlling molecular deposition and layer structure with supramolecular surface as-
semblies // Nature. - 2003. - V. 424. - No. 6952. - P. 1029-1031. -doi 10.1038/nature01915.
2. Cranford S. W., Buehler M.J. Biomateriomics. - Dordrecht: Springer Science & Business Media, 2012. - 440 p.
3. Ложкомоев А.С., Лернер М.И., Цуканов А.А., Казанцев С.О., Ба-кина О.В., Псахье С.Г. О возможности формирования «soft matter» наноструктур на основе мезопористого гидроксида алюминия. Перспективы биомедицинских приложений // Физ. мезомех. -2016. - Т. 19. - № 2. - С. 24-31.
4. Andersen A., Reardon P.N., Chacon S.S., Qafoku N.P., Washton N.M., Kleber M. Protein-mineral interactions: Molecular dynamics simulations capture importance of variations in mineral surface composition and structure // Langmuir. - 2016. - V. 32. - No. 24. - P. 61946209.- doi 10.1021/acs.langmuir.6b01198.
5. Yu W.H., Li N., Tong D.S., Zhou S.H., Lin C.X., Xu C. Y. Adsorption of proteins and nucleic acids on clay minerals and their interactions: A review // Appl. Clay Sci. - 2013. - V. 80. - P. 443-452.
6. Choy J.H., Park J.S., Kwak S. Y., Jeong Y.J., Han Y.S. Layered double hydroxide as gene reservoir // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2000. -V. 341. - No. 2. - P. 425-429.
7. Cygan R.T. Molecular Models of Radionuclide Interaction with Soil Minerals // Geochemistry of Soil Radionuclides / Ed. by P. Zhang, P.V. Brady. - Madison: Soil Science Society of America, 2002. - P. 87109.
8. Zhang Y.X., Jia Y., Jin Z, Yu X. Y., Xu W.H., Luo T, Zhu B.J., Liu J.H., Huang X.J. Self-assembled, monodispersed, flower-like y-AlOOH hierarchical superstructures for efficient and fast removal of heavy metal ions from water // Cryst. Eng. Comm. - 2012. - V. 14. - No. 9. -P. 3005-3007.
9. Bakina O.V., Fomenko A.N., Korovin M.S., Glazkova E.A., Svarovs-kaya N.V. Novel of core-shell AlOOH/Cu nanostructures: Synthesis, characterization, antimicrobial activity and in vitro toxicity in Neuro-2a cells // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1760. - P. 020003.
10. Zhang Z., Pinnavaia T.J. Mesostructured y-Al2O3 with a lathlike framework morphology // J. Am. Chem. Soc. - 2002. - V. 124. -No. 41. - P. 12294-12301.
11. Hicks R.W., Castagnola N.B., Zhang Z., Pinnavaia T.J., Marshall C.L. Lathlike mesostructured y-alumina as a hydrodesulfurization catalyst support // Appl. Catal. A. Gen. - 2003. - V. 254. - No. 2. - P. 311317.
12. Wu Z., Zhuo Q., Sun T., Wang Z. Mechanical properties of epoxy resins reinforced with synthetic boehmite (AlOOH) nanosheets // J. Appl. Polym. Sci. - 2015. - V. 132. - No. 5.
13. Lozhkomoev A.S., Kazantsev S.O., Lerner M.I., Psakhie S.G. Acid-base and adsorption properties of the AlOOH 2D nanostructures as factors for regulating parameters of model biological solutions // Nanotech. Rus. - 2016. - V. 11. - No. 7-8. - P. 506-511.
14. Lozhkomoev A.S. Role of metal oxide nanostructures in extracellular pH regulations // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1760. - P. 020045.
15. Li Z., Du Y., Zhang S., Chen Z., YangK., LuX., Zhu S. Synthesis and characterization of hierarchical y-AlOOH and y-Al2O3 microspheres with high adsorption performance for organic dyes // RSC Adv. -2016. - V. 6. - No. 92. - P. 89699-89707.
16. ZhangL., Lu W., Yan L., Lu Y. Hydrothermal synthesis and characterization of core/shell AlOOH microspheres // Micropor. Mesopor. Mat. -2009. - V. 119. - No. 1. - P. 208-216.
17. MottaA., GaigeotM.P., CostaD. Ab initio molecular dynamics study of the AlOOH boehmite/water interface: role of steps in interfacial grotthus proton transfers // J. Phys. Chem. C. - 2012. - V. 116. -No. 23. - P. 12514-12524.
18. Bakina O.V., Svarovskaya N.V., Glazkova E.A., Lozhkomoev A.S., Khorobraya E.G., Lerner M.I. Flower-shaped AlOOH nanostructures synthesized by the reaction of an AlN/Al composite nanopowder in water // Adv. Powder Technol. - 2015. - V. 26. - No. 6. - P. 15121519.
19. Tsukanov A.A., Psakhie S.G. Adhesion effects within the hard matter-soft matter interface: molecular dynamics // Facta Univ. Mech.
Eng. - 2016. - V. 14. - No. 3. - P. 269-280. - doi 10.22190/FUME 1603269T.
20. Tsukanov A.A., Psakhie S.G. Adsorption of charged protein residues on an inorganic nanosheet: Computer simulation of LDH interaction with ion channel // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1760. - P. 020066.
21. Tsukanov A.A., Psakhie S.G. Energy and structure of bonds in the interaction of organic anions with layered double hydroxide nano-sheets: A molecular dynamics study // Sci. Rep. - 2016. - V. 6. -P. 19986. - doi 10.1038/srep19986.
22. Hariharan P.C., Pople J.A. The influence of polarization functions on molecular orbital hydrogenation energies // Theor. Chem. Acc. -1973. - V. 28. - No. 3. - P. 213-222.
23. Krishnan R., Binkley J.S., Seeger R, Pople J.A. Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions // J. Chem. Phys. - 1980. - V. 72. - No. 1. - P. 650-654.
24. Izrailev S., Stepaniants S., IsralewitzB., Kosztin D., Lu H., Molnar F., Wriggers W., Schulten K. Steered Molecular Dynamics // Computational Molecular Dynamics: Challenges, Methods, Ideas. - BerlinHeidelberg: Springer, 1999. - P. 39-65.
25. Jarzynski C. Nonequilibrium equality for free energy differences // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 78. - No. 14. - P. 2690.
26. Noel Y., Demichelis R., Pascale F., Ugliengo P., Orlando R., DovesiR. Ab initio quantum mechanical study of y-AlOOH boehmite: structure and vibrational spectrum // Phys. Chem. Miner. - 2009. - V. 36. -No. 1. - P. 47-59. - http://www.crystal.umto.it/vibs/boehmite/tab.html.
27. Cygan R.T., Liang J.J., Kalinichev A.G. Molecular models of hydroxide, oxyhydroxide, and clay phases and the development of a general force field // J. Phys. Chem. B. - 2004. - V. 108. - No. 4. -P. 1255-1266.
28. MacKerell A.D., Bashford D., Bellott M., DunbrackR.L, Evan-seckJ.D., Field M.J., Fischer S., GaoJ., Guo H., Ha S., JosephMcCarthy D., Kuchnir L., Kuczera K., Lau F.T.K., Mattos C., Mich-nick S., Ngo T., Nguyen D.T., Prodhom B., Reiher W.E., RouxB., Schlenkrich M., Smith J.C., Stote R., StraubJ., Watanabe M., Wirkie-
wicz-Kuczera J., Yin D., Karplus M. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins // J. Phys. Chem. B. - 1998. - V. 102. - No. 18. - P. 3586-3616.
29. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., Klein M.L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water // J. Chem. Phys. - 1983. - V. 79. - No. 2. - P. 926-935.
30. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: visual molecular dynamics // J. Mol. Graphics. - 1996. - V. 14. - No. 1. - P. 33-38. - http: //www.ks.uiuc.edu/Research/vmd.
31. HanwellM.D., Curtis D.E., Lonie D.C., Vandermeersch T., ZurekE., Hutchison G.R. Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform // J. Chem. Inf. - 2012. - V. 4. -No. 1. - P. 17.
32. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // J. Comput. Phys. - 1995. - V. 117. - No. 1. - P. 1-19.
33. KirkD. NVIDIA CUDA software and GPU parallel computing architecture // ISMM. - 2007. - V. 7. - P. 103-104.
34. Valiev M., Bylaska E.J., Govind N., Kowalski K., Straatsma T.P., Van Dam H.J.J., Wang D., Nieplocha J., Apra E., Windus T.L., de Jong W.A. NWChem: a comprehensive and scalable open-source solution for large scale molecular simulations // Comput. Phys. Commun. - 2010. - V. 181. - No. 9. - P. 1477-1489.
35. Sadovnichy V.A., Tikhonravov A., Voevodin Vl., Opanasenko V. "Lo-monosov": Supercomputing at Moscow State University // Contemporary High Performance Computing: From Petascale toward Exascale. -Chapman and Hall/CRC, 2013. - P. 283-308.
36. Панин B.E., Егорушкин B.E. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система // Физ. мезо-мех. - 2011. - Т. 14. - № 3. - С. 7-26.
37. Grégoire B., Erastova V., Geatches D.L., Clark J., Greenwell H.Ch., Fraser D.G. Insights into the behaviour of biomolecules on the early Earth: The concentration of aspartate by layered double hydroxide minerals // Geochim. Cosmochim. Ac. - 2016. - V. 176. - P. 239258.
Поступила в редакцию 23.01.2017 г.
Сведения об авторах
Цуканов Алексей Алексеевич, к.ф.-м.н., гл. спец. ИФПМ СО РАН, нс ТПУ, [email protected] Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., чл.-к. РАН, дир. ИФПМ СО РАН, зав. лаб. ТПУ, [email protected]
