van der Waals-kraftens roll i kondenserad materia: ickeempirisk teori för nanomaterial och enkla biomolekylära system

Forskningsprojekt, 2011 – 2013

Ett exempel på en aktuell fråga om genetiske material (DNA) gäller hur Naturen kan reglera produktionen av protein. Molekylär igenkänning är här en viktig metod, samtidig som den är intressant inom många delar av fysiken, t.ex. i ytfysik, där förutsättningar för noggranna och informative experiment är goda. Kunskap om krafter, struktur, och elektroniska egenskaper i kondenserade material är av central betydelse för utveckling av nanoteknologi och för fördjupad insikt i biologiska processer. Arvsmassan i vårt DNA kan t.ex. säkra en effektiv informationsbehandling (reproduktion) bl.a. genom en perfekt selektion (igenkänning) bland varianterna för den atomskaliga struktur hos molekylfragmenten. Kolbaserade nanostrukturer och molekylära system kommer troligen också att finna användning i framtida datorer. Vi har vant oss vid att datorutvecklingen följer Moores lag -- var 18:de månad blir nybyggda datorer dubbelt så snabba -- men nu finns det orosmoln. Eftersom ökad snabbhet uppnås genom att förkorta avstånd måsta vi ständigt fortsätta förminskningen. Med dagens kiselbaserade teknik finns det en exponentiell växt i fabrikationskostnaderna, därför att vi med makroskopiska verktyg måste säkra den noggrannhet som krävs för att komponenterna skall fungera. Inom nanoteknologin vill vi pröva lågkostnadsalternativ, bl.a. en motsvarighet till Naturens arbetssätt: självorganisering av komponenter. Utveckling av denna typ av bio- och nanoteknologin kräver dock att vi förbättrar beskrivningen av de s.k. glesa material. Denna klass av material har viktiga delområden med låg elektrontäthet, och denna klass omfatter bl.a. de (makro-)molekylära system. Glesa material och system har viktiga mjuka beteenden som bestäms av de van der Waals krafter som medverkar. De mjuka krafterna är nycklen i den molekylära igenkänning som ger möjlighet till selektion utan irreversibla förandringar av arvsmassan. Tyvärr har också just den allestädes närvarende mjuka van der Waals växelverkan länge varit ett hinder för en fundamental beskrivning baserad på kvantfysikens lager. Detta eftersom våra standardverktyg för studium av material och deras beteenden tidigera inte klarat av att beskriva denna van der Waals växelverkan. Detta projekt tar avstamp i ett pågående VR projekt (2008-4346) och drar fördel av ett mångårigt samarbete med forskare vid Rutgers universitetet i U.S.A. och stora svenska forskningsinvesteringar. Vi har varit med om att ta fram en ny, slagkraftig och internationellt uppmärksammad teori, som just beaktar de intrikata korrelationer i elektroners beteende som ligger bakom van der Waals-krafterna. I min grupp har vi förstahandstillgång och -kunskap till en ny metod, kallad vdW-DF. I det pågående VR projekt har vi lyckats med en effektiv implementering och en bred och framgångsrik test av vdW-DF. Vi är redo till att ytterligere fördjupa vdW-DF-teorin samt utviga arbetet med en rad tillämpninger på mer komplexa nanostrukturer och enkla biomolekylära system. Styrkan hos vår teori och metod, vdW-DF, är att den beskriver kovalente, ioniska, metalliska, och mjuka (van-der-Waals-liknande) bindningar på samma nivå och utan någon semi-empirisk behandling. Lödigheten hos metoden framgår redan av att vår vdW-DF-metod omnämndes som "världsledande" i VR´s senaste internationella utvärdering av VR-stödd forskning inom den kondenserade materiens fysik. vdW-DF har nu fått en stor internationell genomslagskraft. Bland annat bad divisionen för materiens fysik inom det amerikanska fysikersamhälla (APS) mig att arrangera en heldagsssession vid det just avhållna årliga APS-mötet för kondenserad-materie-forskera i Dallas, mars 2011. Detta fortsättningsprojekt är unikt genom att 1) föreslå användning av vår vdW-DF-metod till studie av binding, struktur, funktion som smörjmedel, och av molekylär själv-organisation på ytor, 2) kommer att utnyttja vår erfarenhet av studier av kondenserade-materie-fenomen, särskilt inom ytfysiken, till att evaluera vdW-DF beräkningar genom avstämning mot experimentella resultat, 3) därmed kan deltaga i den grundläggande metodutvecklingen, samt 4) kan utveckla en enkel beskrivning av hur DNA växelverkar med fragment av protein (ett långsiktigt mål med kontrollerbar risk), inkl. den molekylära igenkänning som naturen använder för att stänga av produktionen av protein från våra gener.

Deltagare

Finansiering

Mer information

Senast uppdaterat