碳基纳米材料与生物分子相互作用的分子动力学研究

合集下载

碳基化合物的生物材料应用研究与展望

碳基化合物的生物材料应用研究与展望随着科学技术的不断发展，碳基化合物作为一种重要的生物材料，正逐渐引起人们的关注。

碳基化合物在生物医学领域的广泛应用，为人类的健康和生活品质提供了新的可能性。

本文将从碳基化合物的特性、应用领域以及未来的发展方向等方面进行探讨。

首先，我们来了解碳基化合物的特性。

碳基化合物是由碳元素组成的化合物，具有多样的结构和性质。

其中，碳纳米管是一种具有独特性能的碳基化合物，具有高强度、高导电性和高热稳定性等特点。

碳纳米管在生物医学领域的应用潜力巨大，可以用于制备生物传感器、药物传递系统和组织工程等。

其次，碳基化合物在生物医学领域的应用领域广泛。

碳基化合物可以用于制备生物传感器，用于检测生物分子的存在和浓度。

例如，碳纳米管可以作为传感器的载体，通过与生物分子的特异性相互作用，实现对生物分子的高灵敏度检测。

此外，碳基化合物还可以用于制备药物传递系统，用于治疗癌症等疾病。

通过将药物包裹在碳纳米管中，可以提高药物的稳定性和生物利用度，减少副作用。

此外，碳基化合物还可以用于组织工程，用于修复和再生组织。

通过将碳纳米管与细胞或组织相结合，可以促进细胞的生长和分化，实现组织的修复和再生。

然而，碳基化合物在生物医学领域的应用还存在一些挑战。

首先，碳基化合物的制备和表征技术还不够成熟。

目前，碳基化合物的制备方法多种多样，但仍存在一些问题，如产率低、纯度不高等。

此外，对于碳基化合物的表征方法也需要进一步改进，以提高其准确性和可重复性。

其次，碳基化合物的生物相容性和安全性问题还需要解决。

尽管碳基化合物在体外实验中表现出良好的生物相容性，但在体内应用时可能引发免疫反应和毒性效应。

因此，需要进一步研究和评估碳基化合物的生物相容性和安全性。

展望未来，碳基化合物在生物医学领域的应用前景广阔。

首先，随着碳基化合物制备和表征技术的不断改进，碳基化合物的性能和品质将得到进一步提高。

其次，碳基化合物的生物相容性和安全性问题将得到解决，为其在临床应用中的推广提供了保障。

分子动力学模拟在纳米颗粒表面有机物吸附和沉降过程中的应用研究

分子动力学模拟在纳米颗粒表面有机物吸附和沉降过程中的应用研究随着科学技术的不断发展，纳米颗粒已经逐渐成为一个热门的研究领域。

纳米颗粒有着独特的物理、化学和生物学性质，广泛应用于材料科学、生物医学、环境科学等多个领域。

然而，纳米颗粒在环境中的行为及其影响仍然是一个未解之谜。

因此，深入研究纳米颗粒在环境中的行为至关重要。

纳米颗粒表面有机物的吸附和沉降是纳米材料在环境中的一个重要过程。

这些有机物可以来自于工业废水、农业企业和城市垃圾等来源。

这些有机物的存在会影响纳米颗粒的性质和环境的污染状况。

因此，了解有机物在纳米颗粒表面的吸附和沉降过程对环境的富有意义。

分子动力学模拟是一种计算机模拟技术，主要用于分子间相互作用和分子间的运动学行为的研究。

它可以模拟纳米颗粒及其周围环境中的分子缘和反应。

因此，分子动力学模拟已经成为了研究纳米颗粒表面有机物吸附和沉降过程的重要工具。

分子动力学模拟可以模拟有机物在纳米颗粒表面的吸附和沉降过程，以及与纳米颗粒之间的相互作用。

为了模拟可以应用不同的模型，包括二维和三维表面模型，合适选择模型能够在多个方面以相对可靠的精度描述模拟对象。

在模拟过程中，可以考虑环境变量，包括溶液组成，PH值和温度，以模拟不同环境下的有机物吸附和沉降状况。

最终，可以通过分析模拟结果得出一个有意义的结论。

通过分子动力学模拟，可以研究有机物与纳米颗粒的相互作用。

研究表明，有机物（如污染物）会对纳米颗粒的迁移和分散产生重要影响。

模拟表明，有机物的吸附将抑制纳米颗粒的迁移，然而，当有机物浓度足够高时却增加了纳米颗粒之间的聚集。

因此，对于纳米颗粒表面有机物的吸附和沉降行为的研究具有重要的理论和实践价值。

总之，分子动力学模拟技术已经成为了纳米材料和环境科学领域中的重要研究工具。

它可以有效模拟纳米颗粒表面与有机物的相互作用及其影响。

未来，纳米颗粒表面有机物吸附和沉降研究将在分子动力学模拟技术的支持下，更全面，更深入地展开，为环境污染控制和材料应用提供更多的指导。

分子动力学模拟常用基本概念(相关碳纳米管的概念为主)

分子动力学模拟常用基本概念1、势函数：（1）Tersoff 势：Tersoff 势起源于对C 原子的处理方法，是一种共价键类型的原子间作用势，它不仅可以计算相应晶格常数、键能、键角、弹性模量和空位形成能，和其它力场模型相比，可以描述系统中化学键的形成和断裂以及原子之间化合键变化的动态过程。

Tersoff 势可以很好表述碳氢分子、石墨、金刚石间相互作用能、键能，可以表示化学键的断裂和形成，比如计算金刚石C 11、C 12、C 44的弹性常数和实验结果比较接近。

通过它可对系统进行分子动力学模拟，可以计算系统中的化学键键长、键能、键角、弹性模量和空位形成能。

Tersoff 势函数被广泛用于讨论碳纳米管的稳定结构、形成机理、力学性能以及碳纳米管中碳原子的一些动态过程。

Tersoff 势成功地被用来描述石墨、金刚石的碳键相互作用。

碳纳米管中碳原子间共价键的相互作用较广泛地采用Tersoff 势来描述并取得非常大的成功。

Tersoff 势被认为是键合强度依赖于周围原子配置的势函数，可以很好的描述表面重构能，能比较好地描述碳纳米管性质而被广泛应用。

Tersoff 势总能量函数形式为：[()()]c ij r ij ij a ij ii jf a E r b E r <Φ=-∑∑其中：排斥势：()exp()r ij ij ij ij E r A r λ=-；吸引势：()exp()a ij ij ij ij E r B r μ=-12(1)i i innn ij ij i i a εβτ-=+；2(1)i iiim n nn ij ij i i b χβξ-=+,()()ij c ik ik ijk k i jf rg τδθ≠=∑；,()()exp[()]ij c ik ik ijk ik ij ik k i jf rg r r ξϖθσ≠=-∑角函数：22222()1(cos )iiijk ii i ijk c c g d d h θθ=+-+-截断函数：11()[1cos()]20ij ij c ik ij ijr R f r S R π⎧⎪-⎪=+⎨-⎪⎪⎩式中，αij 是截断距离，一般情况下，必须将αij 式中的β的值取得充分小，使得αij ≈1，因为在第一临近之外的范围内，τij 会指数式地变大。

中科大考博辅导班：2019中科大材料科学与工程学院考博难度解析及经验分享

中科大考博辅导班：2019中科大材料科学与工程学院考博难度解析及经验分享中国科学院大学2019年博士研究生招生统一实行网上报名。

报考者须符合《中国科学院大学2019年招收攻读博士学位研究生简章》规定的报考条件。

考生在报考前请联系所报考的研究所(指招收博士生的中科院各研究院、所、中心、园、台、站)或校部相关院系，了解具体的报考规定。

下面是启道考博辅导班整理的关于中国科学技术大学材料科学与工程学院考博相关内容。

一、院系简介中国科学技术大学材料科学与工程系是应国民经济与现代科学技术发展的需求于1987年成立。

(其中高分子化学与高分子物理二个专业于1996年分出组建高分子科学与工程系)。

材料科学与工程是伴随新技术、新材料飞速发展而诞生的一门新兴学科，主要研究材料的合成、制备技术、组成、结构、性能和应用及其相互间的关系和变化规率。

材料科学与工程系按材料物理和材料化学两个专业组织本科教学，设有材料科学与工程一级学科博士点,包括材料学、材料物理与化学和材料加工工程3个博士点，同时还招收无机（固体）化学、凝聚态物理博士生。

本系含中科院中国科学技术大学固体内耗与缺陷开放实验室、固体化学与无机膜研究所以及材料化学青年实验室。

教研队伍共46人，其中教授35人（含兼职15人），副教授4人，副研究员3人。

近五年来，共承担国家和部委的科研项目25项，约1000余万人民币。

在光电功能材料、纳米材料、高温超导材料及相关体系、氧分离膜及反应器技术、中温燃料电池、以及量子力学理论等方面的研究中均取得了重要成果。

曾获国家科技进步二等奖1项、中科院科技进步一等奖1项、中科院科技进步三等奖2项、国家教育部自然科学一等奖1项、中科院自然科学一等奖1项、三等奖2项。

二、招生信息中国科学技术大学材料科学与工程学院博士招生专业有5个：080501材料物理与化学研究方向：1．界面原子电子结构与材料物性、共格析出强化的先进结构钢计算设计与实验验证、金属形变与相变机制的定量电子显微学研究、低维材料中量子相变和器件研究、新型高温结构材料精细结构研究、先进钛合金力学性质的第一原理研究、磁性纳米材料的电磁性能、非贵金属等离子体辅助效应光催化材料研究．微电子互联材料/非贵金属环境催化材料研究、薄膜中的交换耦合、磁电耦合及其输运性质、梯度纳米结构金属材料的塑性变形与机制、基于像差校正电子显微分析的材料基础科学问题研究、纳米碳基材料催化．纳米碳基能源催化材料设计与制备、金属材料界面质量输运动力学问题计算模拟研究、拓扑绝缘体纳米结构的制备和输运性质、钛合金高温变形及组织模拟、置换原子引起点阵畸变与物理性能的关联、小尺度材料高温服役性能与可靠性．纳米层状材料力学行为及机制、材料疲劳与断裂．生物力学与仿生材料设计．材料变形断裂机制计算模拟、磁性相变的中子散射研究．铁电薄膜和器件的制备与评价、材料界面效应的原位电子显微学研究、铁电薄膜功能界面的构筑及像差校正电子显微学080502材料学研究方向：功能特种炭材料的研究与应用、纳米炭复合材料的界面调控及功能特性、储氢合金及应用、镁合金铸造缺陷控制工艺及机理、新型碳结构探索、变形高温合金组织设计与控制、燃气轮机叶片液滴冲蚀的损伤机制、高强韧多功能医用钛合金可逆变形机制、高强韧多功能医用钛合金可逆变形机制、纳米多孔金属变形与表面效应、深海用高强钛合金韧化研究、新型能源材料．能源材料原位电镜研究、核级锆合金低维晶体缺陷研究．单晶高温合金先进制备技术、抗超高温氧化防护涂层．迈科烯（MXene）二维功能陶瓷材料．构筑材料．非晶合金．碳纳米管的制备与性能．碳纳米材料性质与器件的原位TEM研究、太阳能光催化材料．互连焊点空间环境下的服役行为研究．抗热腐蚀铸造高温合金．极限尺寸纳米金属的制备（I）．极限尺寸纳米金属的制备（II）．极限尺寸纳米金属的结构研究．纳米金属材料的变形与力学行为．梯度纳米金属的使役行为．纳米金属材料的腐蚀行为．新型二维材料的制备与物性．多功能纳米复合材料结构与性能研究．纳米碳基电子器件．高温合金材料设计与制备．低维柔性热电换能材料与器件．梯度纳米金属的强韧化机制．非晶合金制备及成形．3D打印用非晶金属材料的制备与性能．纳米超级隔热材料．极端环境陶瓷防护涂层．先进陶瓷的高通量设计．3D打印钛合金组织调控、纳米金属材料的扩散与表面合金化、生物医用金属材料、钛合金粉末近净成形研究、变形高温合金组织控制与制备、非晶复合材料制备及性能、单晶高温合金设计与制备、聚多糖纳米材料的功能化．多孔陶瓷功能构筑．聚多糖纳米材料的功能化、高分子人工心脏瓣膜制备及力学性能研、新型高温金属结构材料的制备及性能、高温合金精密铸造的缺陷控制技术080503材料加工工程研究方向：．高强高韧索具材料与制备工艺研究．稀土特殊钢研究．变形TiAl成分-组织-性能关系研究．镍基合金冶金热力学规律研究．氧化物弥散强化合金．焊接接头强韧化．焊缝金属组织稳定性研究．高熔点金属的搅拌摩擦焊接．金属基纳米复合材料．新型锻造铝合金的强韧化设计．超纯高强钢的相关性能研究．复合涂层材料与制备．高温防护涂层研究、先进动力推进系统关键材料与均质化制造．一种高温合金的纯净化熔炼工艺研究．超高温陶瓷基复合材料快速制备技术研究．先进金属基复合材料制备科学．冷喷涂高温防护涂层研究．新型钢铁材料、生物可降解镁合金及应用、．轻质高强合金的制备与性能．铝锂合金板材高应变率变形提高成形性的物理机制．稀土铝合金凝固与制备0805Z1腐蚀科学与防护研究方向：1．海洋环境耐腐蚀材料设计．核电关键材料的腐蚀行为与评价．纳米智能防腐技．高性能防腐蚀涂层性能与机理研究．钝化膜形成和损伤机理．混合气氛高温腐蚀．材料的力学化学交互作用．材料大气环境腐蚀．材料土壤环境腐蚀．核电结构材料高温高压水腐蚀疲劳损伤行为与机理．功能涂层、应用电化学、功能聚电解质与智能控释系统．腐蚀与磨损交互作．高温防护涂层设计方法085274能源与环保研究方向：同以上各专业三、报考条件1、中华人民共和国公民；拥护中国共产党的领导，愿意为祖国社会主义现代化建设服务；品德良好，遵纪守法，学风端正，无任何考试作弊、学术剽窃及其它违法违纪行为；2、身体健康状况符合学校规定的体检要求，心理正常；3、原则上申请者须来自国内外重点院校或所学专业为国家重点学科，专业须为材料、物理、化学、机械、力学及冶金等相关理工类学科；4、专业基础好、学习成绩优良、科研能力强，在某一领域或某些方面有特殊学术专长及突出学术成果，成果形式包括公开发表的学术论文、专利、获奖等，或承担过科研、技术开发项目，成果或项目至少1项；5、对学术研究有浓厚的兴趣，有较强的创新意识、创新能力和专业能力；6、申请者的学位必须符合下述条件之一：（1）应届硕士毕业生须在博士入学前取得理工类硕士学位；（2）已获得理工类硕士或博士学位；（3）在境外获得学位的考生，须凭教育部留学服务中心的认证书报名；7、具有较强的语言能力，外语（限专业目录中公布的语种）水平较高。

分子动力学在材料科学中的应用汇总

分子动力学在材料科学中的应用汇总分子动力学（Molecular Dynamics, MD）是一种以分子为基本单位的计算模拟方法，可以研究材料的结构、动力学、热力学等性质。

分子动力学模拟已被广泛应用于材料科学领域，包括金属、陶瓷、聚合物、生物材料等各种材料体系。

下面将对分子动力学在材料科学中的应用进行详细汇总。

1.原子尺度结构和性质预测分子动力学可以模拟材料的结构和性质，包括晶体、非晶体、表面和界面等。

例如，通过模拟晶体生长的过程，可以预测晶体的形状、尺寸和缺陷分布。

此外，还可以模拟纳米颗粒的聚集和自组装过程，用于设计新型纳米材料。

2.界面和表面性质研究界面和表面在材料科学中起着重要作用，决定了材料的结构和性能。

分子动力学可以模拟材料的表面和界面，研究其结构、稳定性和反应性。

例如，可以研究液体-固体界面的界面张力、润湿性和反应动力学，揭示材料的界面性质对液体吸附、反应速率等方面的影响。

3.材料性能的模拟和预测4.材料的相变和相变动力学材料的相变对其结构和性能具有重要影响。

分子动力学可以模拟材料的相变过程，研究相变的机理和动力学。

例如，可以研究材料的熔化、凝固、固相转变等相变过程，并分析相变过程中的晶体缺陷和界面行为。

5.界面和材料的反应性研究6.材料的应力应变行为研究7.生物材料的性能研究分子动力学在生物材料研究中的应用也很广泛。

可以模拟蛋白质、核酸和糖等生物大分子的结构和功能，研究其折叠、稳定性和相互作用。

此外，还可以模拟生物材料的界面和相互作用，研究药物传递、细胞材料相互作用等非平衡过程。

总之，分子动力学作为一种基于精确原子尺度的计算模拟方法，在材料科学中有着广泛的应用。

它可以模拟材料的结构、动力学、热力学和反应行为，为材料设计和性能优化提供重要的理论指导和预测。

分子动力学研究

分子动力学研究一、什么是分子动力学研究分子动力学研究是一种计算机模拟方法，可用于研究分子运动的行为，包括温度、压力、化学反应等，以及与其他分子和化学物质的相互作用和反应。

它是一种基于牛顿力学的计算方法，通过对粒子之间的相互作用力和动力学方程的求解，计算出系统在不同时间、不同位置所处的状态，并从中推断出系统的性质。

二、分子动力学研究的应用1. 材料科学领域分子动力学研究可以用于研究材料的力学性质，如材料的强度、韧性等，同时还可以探究材料的结构和物理性质，如密度、金属离子的相互作用等。

2. 生物医学领域分子动力学研究可帮助研究蛋白质酶的作用机理，开发新药物，解决生化和生物学中的许多问题，如蛋白质的折叠和可溶性、细胞膜的作用等。

3. 能源领域分子动力学研究可以用于对燃料电池、太阳能电池等的性能进行优化，改进能源转化的效率和效率。

4. 环境科学领域分子动力学研究可以用于研究环境问题，例如空气污染、水质问题和可持续能源等。

三、分子动力学研究的优势1. 详细了解体系行为的机制分子动力学研究可以刻画不同分子的行为及不同分子间的相互作用，从而帮助我们更好地了解体系的动力学特性和反应过程。

2. 模拟实验成本低相比实际实验，分子动力学研究成本低，需要的设备和材料也较少，节约了设备成本和时间，加速了研究进程。

3. 为实验提供依据和指导采取分子动力学研究，可以预测实验结果，为实验提供指导和参考，提高实验的效果和精度。

四、分子动力学研究的应用展望从事分子动力学研究有许多新的应用前景。

比如，应用新型的计算机模型和算法将带来更准确的预测结果；将会有更多着眼于生物医学和医药研发的应用，也将会有更多针对能源和环境领域的应用研究发展。

总之，分子动力学研究在众多领域中有着广泛的应用。

通过研究微观尺度下的粒子间相互作用，可以揭示物质的物理和化学特性，并提供预测体系行为的重要工具。

生物大分子的纳米尺度结构和功能研究

生物大分子的纳米尺度结构和功能研究生命起源到现代生态系统的演化历程，是一个自组织、自适应、自生命工程的复杂过程，其中所需要进行的各种化学反应依赖于生物分子之间的相互作用。

生物大分子指的是生物体内的宏分子，包括碳水化合物、脂质、核酸和蛋白质等。

这些宏分子在体内发挥着重要的生理功能，使得生命得以延续。

在宏观上，生物大分子对人类产生的影响通常体现在医药和食品方面。

但是在纳米尺度上，生物大分子却有着更为重要的应用前景，这是因为它们在纳米级别上展现出了诸多奇妙的物理与化学特性。

纳米结构是一种介于分子和宏观物体之间的结构，其尺度一般处于1至100纳米之间。

生物大分子在纳米尺度上的结构与功能的研究，具有重要的理论意义和实际应用意义。

生物大分子的纳米尺度结构生物大分子在纳米尺度的结构与功能已经成为一个火热的领域。

如何解决生物大分子的纳米尺度结构和功能问题，是现代生物化学和物理学研究的重要方向之一。

蛋白质是生物大分子中最具代表性的一类物质，也是生化领域研究的重要对象。

蛋白质的体积尺度约为1-10立方微米，蛋白质分子内部的结构和功能具有高度的复杂性。

纳米技术、生物技术以及计算机技术等现代科技手段的发展，为研究蛋白质的纳米尺度结构和功能奠定了坚实的基础。

比如，通过单分子力谱学，生物学家可以更加精确地测量蛋白质的某些物理参数，以便研究蛋白质的动力学和稳定性。

另外，软物质物理学研究的发展，为研究生物高分子的纳米结构和物性奠定了基础。

比如，细胞膜上的蛋白质聚集可以通过超分子自组装的手段来研究，这为细胞信号传递的机制研究提供了一种新的思路。

DNA是生物大分子中的重要成分之一。

DNA可以自搭建成各种结构，其具有非常多的应用价值。

生物化学家通过建立DNA纳米阵列，可以使得DNA纳米结构以一定的精度组织在平面或三维空间中，从而在光、电磁等方面产生特殊的物理化学性质。

在研究生物大分子的纳米结构和功能的过程中，最关键的问题就是需要充分掌握生物大分子的结构和物性的测量、表征和模拟方法。

碳纳米管力学行为的分子动力学模拟

碳纳米管力学行为的分子动力学模拟一、引言碳纳米管作为一种新型的纳米材料，在材料科学和纳米技术领域具有广泛的应用前景。

其独特的力学性质和结构特征对于其在纳米机械、纳米电子学、纳米传感器等领域的应用具有重要意义。

在研究碳纳米管的力学行为时，分子动力学模拟是一种有效的方法，可以帮助人们深入理解碳纳米管的力学性质。

二、碳纳米管的力学性质碳纳米管是由碳原子构成的蜂窝状结构，具有非常优异的力学性能。

其中，碳纳米管的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等力学性质是人们关注的重点。

通过分子动力学模拟，可以对碳纳米管在受力过程中的变形、应力分布、断裂行为等进行研究，从而揭示其力学性质的本质。

三、分子动力学模拟方法在进行碳纳米管力学行为的分子动力学模拟时，首先需要建立碳纳米管的模型，包括其几何结构、原子组成等。

通过分子动力学模拟软件（如LAMMPS、GROMACS等）对碳纳米管在外力作用下的原子尺度行为进行模拟，得到其应力-应变关系、变形形貌等信息。

四、力学行为的分子动力学模拟研究进展近年来，关于碳纳米管力学行为的分子动力学模拟研究取得了许多重要进展。

研究者们通过模拟发现，碳纳米管在受拉伸、压缩等外力作用下呈现出丰富多样的力学响应行为，如弹性变形、塑性屈服、断裂等。

分子动力学模拟还揭示了碳纳米管的力学性质与其结构、尺寸等因素之间的内在联系，为定量预测碳纳米管的力学性能提供了理论支持。

五、个人观点对于碳纳米管的力学行为，我认为分子动力学模拟是一种十分有前景和价值的研究方法。

通过模拟可以直观地观察碳纳米管在原子尺度下的变形行为，揭示其力学性质的微观机制。

分子动力学模拟可以辅助实验研究，为设计和应用碳纳米管材料提供指导。

我认为分子动力学模拟将对碳纳米管力学行为的研究产生深远的影响。

六、结论通过分子动力学模拟，我们可以深入理解碳纳米管的力学行为，并揭示其内在的微观机制。

研究者们在这一领域的不懈努力将有助于推动碳纳米管在纳米材料、纳米器件等领域的应用。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

碳基纳米材料与生物分子相互作用的分子动力学研究
随着对纳米材料研究的深入,碳基纳米材料由于其突出的理化性质在材料化学、信息科学、能源等领域有着广泛的应用前景。

近年来,有很多研究发现碳纳米材料可以负载药物,并实现在体内的高效运输、智能靶向等。

因此碳纳米管在药物传递以及肿瘤治疗等生物医学领域被认为是十分具有应用潜力的新型材料。

但是由于碳纳米材料会以各种形式进入体内,其潜在的生物毒性不容小觑。

有研究者认为碳纳米材料本身的化学活性能促使体内产生活性氧,是其具有生物毒性的重要原因,而越来越多的实验以及模拟计算表明,除去碳材料本身的化学活性,它与生物大分子例如蛋白质、核酸等之间的相互作用也是其产生毒性的途径之一。

它们会吸附到蛋白质上,甚至结合到蛋白质的疏水核心位点而导致其丧失生物活性。

因此研究碳基纳米材料与生物大分子之间的相互作用机制成为研究无毒、生物相容性高的纳米材料的基础。

富勒烯分子是典型的零维碳纳米材料,反应活性高,极易穿透细胞膜从而实现在体内的运输,但是由于其表面高度疏水而容易发生聚集形成团簇。

对富勒烯表面修饰亲水性基团（-NH2和-OH等）可以提高其水溶性,并能降低生物毒性。

富勒烯及其衍生物被认为是酪氨酸磷酸酶的潜在抑制剂。

然而,其发挥抑制作用的潜在机制仍然是难以捉摸的。

本文结合分子对接算法（molecular docking）和全原子分子动力学模拟（all-atom molecular dynamics simulation）研究了C60、C60
（NH2）30和C60（OH）30在白细胞共同抗原体（CD45,是一种类似受体的酪氨酸磷酸酶）中的结合模式及两者之间的相互作用。

本文的研究结果表明,这三种富勒烯分子都可以对接进CD45的D1和D2结构域之间。

其中,C60由于其表面的高度疏水性,结合位点与后两者明显不同。

CD45上可以直接与C60（NH2）30相互作用的残基的平均数目比与C60（OH）30作用的多两个,即F819和F820（位于α3和β12之间的loop区）,从而诱导了C60（NH2）30和C60（OH）30不同的抑制效应。

详细的MD模拟轨迹分析表明,C60（NH2）30之所以会诱导CD45产生与空白对比模拟完全不同的相互作用模式,主要是因为α3发生了错误折叠。

此外,通过与C60（NH2）30的对接,D1区域的活性口袋构象和KNRY motif的运动也受到最严重的破坏。

本文的模拟结果表明,用氨基修饰的富勒烯衍生物对酪氨酸磷酸酶具有更加明显的抑制效果,可以作为有效的抑制剂。

本文的研究结果从分子层次上解释了富勒烯及其衍生物能够抑制酪氨酸磷酸酶活性的机制,为有效抑制剂的设计提供了理论依据。

单壁碳纳米管是目前应用广泛的二维碳纳米材料,在很多领域例如生物纳米材料等方面具有很大的研究价值。

碳纳米管在水溶液以及有机溶剂中可溶性极低,因此非常容易聚集成簇。

近
来有研究者对小鼠注射不同的碳纳米管,发现聚集成簇的单壁碳纳米管在治疗甲基苯丙胺成瘾方面比单一分散态的碳纳米管具有更为显著的疗效,然而其作用机制仍然未知。

通过利用全原子分子动力学模拟,本文研究了不同的单一以及聚合碳纳米管（single（10,10）CNT,aggregated-7-（10,10）CNTs以及与其具有相同直径的单一碳纳米管single（35,35）CNT）与酪氨酸羟化酶TyrOH之间的相互作用。

TyrOH能够催化酪氨酸转化成左旋多巴,控制着儿茶酚胺合成途径的决速步骤。

模拟结果显示TyrOH可以吸附到这三种碳纳米管上,且结合亲和力随着碳纳米管直径增加而加强。

单一分散的（10,10）CNT对蛋白质整体结构以及活性口袋构象的影响都较小。

而（35,35）CNT由于较大的接触面积会破坏蛋白质整体结构的稳定性使其彻底失活。

聚合态的7-（10,10）CNTs因其表面周围存在更多的间隙水能够灵活地维持蛋白质二级结构的稳定性,但是会改变活性口袋的构象,降低原本的底物蝶呤在口袋中的结合亲和力,从而有效地抑制Tyr OH的酶活性。

多巴胺转运体（dopamine transporter,DAT）是一种高度保守的跨膜蛋白。

其作用机制是利用细胞膜内外的电化学梯度实现对多巴胺分子的转运以及重吸收。

DAT的功能失常会导致体内多巴胺浓度异常增加,即为成瘾症状。

本文通过分子动力学模拟研究了不同的碳纳米管与DAT之间的相互作用。

本文的研究结果显示聚合态的7-（10,10）CNTs会改变DAT的“门机制”,使其始终保持一个外向打开的构象（outward-facing conformation）,这个构象有利于实现对体内多巴胺的重吸收。

而两种单一态的碳纳米管会使DAT的“细胞
外门”处于关闭状态而无法重吸收多余的多巴胺分子。

[3H]-WIN35,428,是一种效果显著的多巴胺重吸收的抑制剂,它在DAT活性口袋中的结合亲和力会因为与7-（10,10）CNTs的相互作用而被严重破坏,从而间接提高了DAT对多巴胺的结合和运输能力。

本文的研究结果提供了相关蛋白质与不同聚合度的碳纳米管之间的相互作用的动力学解释,阐明了聚合碳纳米管治疗药物成瘾的机制。

石墨烯是一种由sp2碳原子组成的碳纳米材料,且厚度仅为
0.34 nm,足以满足检测单个氨基酸或者核酸的条件,因此成为研究单分子检测器件的热门材料。

本文利用拉伸分子动力学模拟（SMD）研究了硫氧还蛋白（Trx）在不同直径、不同电荷的石墨烯纳米孔之中的迁移行为,并通过施加外来电场的方式计算了Trx在迁移过程中引发的纳米孔电流变化。

SMD模拟的结果显示当纳米孔孔径较小（1nm）时,氨基酸会在外力以及纳米孔空间阻塞效应的“迫使”下逐个迁移过孔,且可以通过拉力F的峰值判断出带电氨基酸的迁移,为进一步鉴别单个氨基酸提供了可能性。

孔径为1.4 nm时,可以观察到Trx会有明显的分步迁移特征:残基A108-L58较为容易迁移---在K57处开始β2与β3、αB之间形成“扭结”堵塞纳米孔---K18之后“扭结”打开,蛋白质迁移完成。

孔径为2 nm时,虽然也能观察到“扭结”等去折叠中间态,但是由于空间阻力不够强大,蛋白质最终无法完全的去折叠。

本文进一步研究了1 nm孔径的石墨烯纳米孔在蛋白质测序中的应用。

改变纳米孔的电荷并计算Trx迁移引发的孔内电流变化。

随着纳米孔的电荷量的增加,Trx的迁移速度也逐渐减缓,这对于测序工作是十分重要的。

通过计算带电纳米孔与中性纳米孔之间的电流差值,本文发现差值曲线的峰值所出现的时刻都对应着负电氨基酸的迁移,谷值都对应着正电氨基酸的迁移。

虽然只能定性的检测出正电以及负电氨基酸,但是这也意味着带电荷的石墨烯纳米孔具有在蛋白测序中的应用潜力。

本文通过全原子分子动力学模拟、分子对接和拉伸分子动力学等方法,系统地研究了富勒烯、碳纳米管和石墨烯与不同生物大分子（蛋白质）之间的相互作用模式,从分子层次上探讨了碳基纳米材料对蛋白质活性的影响机制以及其在生物器件制造等领域中的应用潜力。