معروف‌ترین کاربردهای دینامیک مولکولی

شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD)، به‌عنوان ابزاری مهم برای مطالعه‌ی تئوری مولکول‌های زیستی می‌باشد که طی سال‌های اخیر برای حل مسائل پیچیده‌ی پیش روی علوم مختلف از جمله علوم و مهندسی پلیمر، مورد استفاده‌ی انبوه قرار گرفته است. این روش توانایی جستجوی خصوصیات مولکولی را دارد که با روش‌های تجربی قابل دستیابی نیستند. بنابراین، با استفاده از این فناوری می‌توان رفتار پلیمرها را به‌صورت کیفی و در مقیاس مولکولی مورد مطالعه و بررسی قرار داد و به تحلیل عمیق‌تری از پدیده‌های مختلف فیزیکی دست یافت. کاهش هزینه‌های ساخت مواد و ارائه‌ی اطلاعات مفید بدون انجام آزمایش‌های متعدد و پرهزینه، تحفه‌ای است که علم شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای محققان و پژوهشگران علوم مختلف، به ارمغان آورده است. توسعه و طراحی سامانه‌های مختلف پلیمری همچون غشاهای پلیمری، نانوکامپوزیت‌های پایه‌ی پلیمری و طراحی دارو، برخی از معروف‌ترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد که در ادامه این مقاله از سایت آموزشی آن آکادمی به تشریح آن‌ها خواهیم پرداخت.

۱. طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی

طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی
۱. طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی

طراحی و ساخت غشاهای پلیمری برای مصارف گوناگون، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد. خب بیایید کمی عمیق‌تر به این موضوع نگاه کنیم که MD چگونه به محققان در ساخت غشاهای پلیمری کمک می‌کند؟

پلیمرها با توجه به خواص ساختاری که دارند، به‌عنوان غشا در صنایع مختلف مورد استفاده هستند. معمولاً غشاهای پلیمری به ۳ منظور استفاده می‌شوند. جداسازی گازها و ترکیبات گازی، ترکیبات مایع و پیل‌های سوختی. از این رو دانستن خواص ساختاری و خواص عملکردی غشاهای پلیمری در شرایط عملیاتی از اهمیت بسیار زیادی برای محققان و پژوهشگران برخوردار است. بررسی و پیش‌بینی خواص ساختاری پلیمرها و خواص عملکردی آن‌ها شامل انحلال‌پذیری، نفوذپذیری، تراوایی و گزینش‌پذیری، با استفاده از علم شبیه‌سازی مولکولی امکان‌پذیر است. البته استفاده و بررسی هریک از خواص عملکردی، ابزار شبیه‌سازی خاص خودش را می‌طلبد. به‌عنوان مثال، برای بررسی انحلال‌پذیری حتماً باید از روش مونت کارلو (Monte Carlo) استفاده کرد. اما برای بررسی نفوذپذیری (چون وابسته به زمان می‌باشد) و تراوایی باید از دینامیک مولکولی استفاده کرد. برای گزینش‌پذیری هم از هر دو روش مونت کارلو و دینامیک مولکولی می‌توان کمک گرفت.

طراحی و ساخت غشاء پلیمری اُسمُز معکوس

طراحی و ساخت غشاء پلیمری اُسمُز معکوس (Reverse Osmosis)، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد که از آن برای تصفیه‌ی آب استفاده می‌شود. در تکنولوژی تصفیه‌ی آب، جلوگیری از عبور برخی ترکیبات خطرناک، اقدامی چالش‌برانگیز است که به سادگی امکان‌پذیر نیست. به عبارتی، امکان بررسی مکانیزم سطح مولکولی حل شونده و انتقال حلال با جزئیات سطح اتمی مانند ساختار مولکولی و شیمیایی غشا، اندازه‌ی املاح، ساختار و فعل انفعالات حلال، حل‌شونده و غشا در مقیاس آزمایشگاهی وجود ندارد. اما استفاده از تکنولوژی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، به‌عنوان ایده‌ای نوآورانه در ساخت غشاهای پلیمری اسمزمعکوس، موجب شده تا به راحتی بتوان به آب شیرین و تصفیه شده دست یافت.

درواقع، اسمز یک فرآیند طبیعی است که در هنگام عبور خودبه‌خودی آب از فیلترهای ممبران Membrane رخ می‌دهد. ممبران یک فیلتر نیمه‌ نفوذپذیر به بعضی از مولکول‌ها مانند مولکول‌های آب اجازه‌ی عبور می‌دهد. جریان مایعات از ممبران به‌صورت طبیعی اتفاق می‌افتد و سعی می‌کند که نمک‌های محلول را از آب خارج نماید. یعنی جهت جریان در اسمز از محلول کم‌نمک به محلول اشباع‌تر است. در صورتی‌که شرایط را عوض کرده و با ایجاد فشار بر محلول اشباع، فرآیند اسمز معکوس اتفاق خواهد افتاد و می‌توانیم آب خالص را از سمت دیگر ممبران دریافت کنیم. دقت داشته باشید که نیترات هم به عنوان یکی از شاخص‌های شیمیایی آلودگی آب مطرح است که با استفاده از روش اسمزمعکوس، می‌توان آن را به راحتی از آب حذف نمود. اما این تنها یکی از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد. کاربردهای جالب دیگری ه