Συμβολή α) στην ανάλυση των μοτίβων των συνεργατικών ελικοειδών δονήσεων χαμηλής συχνότητας και β) στην υπολογιστική διερεύνηση τρισδιάστατων υπερμοριακών αρχιτεκτονικών

Abstract

Η δυνατότητα αυτοοργάνωσης και αυτοσυναρμολόγησης μορίων από επαναλαμβανόμενες μονάδες (μονομερή), είναι θέμα που απασχολεί έναν σημαντικό αριθμό επιστημόνων που εργάζονται στην περιοχή του μοριακού σχεδιασμού και των μοριακών κατασκευών. Η εξάρτηση της δευτεροταγούς δομής από την πρωτοταγή και η σημασία της τριτοταγούς και τεταρτοταγούς δομής συνέβαλλαν στην εξαγωγή ενός γενικού συμπεράσματος στη Χημεία: Η διασύνδεση των ατόμων καθορίζει την διαμόρφωση του μορίου και η διαμόρφωση καθορίζει τη λειτουργικότητά του. Συνέβαλλαν επίσης στη δημιουργία ενός νέου κλάδου της Χημείας: της Υπερμοριακής Χημείας. Η Υπερμοριακή Χημεία ασχολείται με οντότητες πιο περίπλοκες από τα μόρια, όπως υπερμοριακές συναρμολογήσεις που συγκρατούνται μεταξύ τους με διαμοριακές δεσμευτικές αλληλεπιδράσεις. Στόχος της είναι η δημιουργία πολυμοριακών αρχιτεκτονικών, πέρα από τη στενή έννοια του μορίου με κρίσιμες λειτουργικές ιδιότητες. Οι εξέλιξη της νανοτεχνολογίας είναι ταχύτατη και ενδιαφέρουσα. Αποτελεί ένα νέο πεδίο της επιστήμης που συνδυάζει τη Χημεία, τη Φυσική και τη Βιολογία. Η δημιουργία μοριακής αντλίας, βαλβίδας, μοριακού κινητήρα είναι μερικοί από του στόχους των επιστημόνων ενώ ήδη έχουν συντεθεί μοριακοί αγωγοί - σωλήνες. Στα βιομόρια, από την προοπτική της νανοτεχνολογίας, η γνώση της δομής γνωστών μοριακών μηχανών μπορεί να βοηθήσει να κατασκευαστούν νέες προγραμματιζόμενες μηχανές. Μια κεντρική συνιστώσα για τις νανοκατασκευές αφορά στα ελατήρια. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής, πραγματεύεται θέματα που σχετίζονται με τα παραπάνω πεδία και είναι: α) Η μελέτη ιδιαιτέρων χαρακτηριστικών αθροιστικών δονήσεων μακρομορίων, ανόργανου, οργανικού και βιολογικού ενδιαφέροντος, με χαρακτηριστική δευτεροταγή δομή αυτή της ελικοειδούς. Η μελέτη των ελικοειδών δομών των μορίων από την οπτική γωνία της προσομοίωσης του μοριακού ελατηρίου και της μηχανικής συμπεριφοράς τους, παρουσιάζει έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια μιας και η μηχανική τους αποτελεί αντικείμενο ενδιαφέροντος για ένα ευρύ φάσμα τομέων με εφαρμογές, για παράδειγμα, στα κυτταρικά κανάλια μεταφοράς ή στα σχεδιαζόμενα μοριακά «αυτοκίνητα». β) Η προσπάθεια υπολογιστικής κατασκευής ενός υπερμοριακού αρχιτεκτονήματος, με κύριο χαρακτηριστικό την παραλληλία των μοριακών ελίκων. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, θα πρέπει να γίνει κατάλληλη διαχείριση των δυνάμεων που καθορίζουν μια διαμοριακή διευθέτηση, των δυνάμεων Van der Waals, οι οποίες μπορούν να υπάρχουν και μεταξύ ατόμων. Σημαντικό δομικό ρόλο σε μόρια τέτοιας κατασκευής κατέχουν και οι δεσμοί υδρογόνου. Το νέο στοιχείο της παρούσας διατριβής, είναι ότι, για πρώτη φορά, αντί να αναλυθεί το είδος των δυνάμεων που συγκρατεί ένα σύστημα ενωμένο, γίνεται το αντίθετο: Επιλέγεται το είδος των δυνάμεων που θα συγκρατήσει το υπερμοριακό συγκρότημα αλλά και προαποφασίζεται η αρχιτεκτονική που θα επιβληθεί σε αυτό. Το μοριακά πρότυπα που επιλέχθηκαν για τον πρώτο σκοπό της διατριβής είναι τα πολυσουλφάνια, ανόργανα ή με οργανικούς υποκαταστάτες και με ελικοειδή δομή καθώς και τα ολιγοπεπτίδια της γλυκίνης, ενός αμινοξέος που αποτελεί σχεδόν ιδανική επιλογή για τη μελέτη των ελικοειδών αθροιστικών δονήσεων των βιομορίων, μιας και η ανυπαρξία παράπλευρης αλυσίδας επιτάχυνε τους θεωρητικούς υπολογισμούς υψηλού επιπέδου ενώ επέτρεψε την επέκταση υπολογισμών σε μεγαλύτερες και πιο πολύπλοκες πεπτιδικές έλικες (μεικτό πενεηνταπεπτίδιο αλανίνης-γλυκίνης) σε χαμηλότερο, αλλά επιτυχώς αξιολογημένο επίπεδο υπολογισμών. Για το δεύτερο σκοπό της διατριβής, επιλέχθηκαν τα απλά ανόργανα πολυσουλφάνια (H2Sn) με ελικοειδή δομή