Valódi felülethez viszonyított (intrinsic) szabadenergiaprofil számítása fluid határfelületeken

1. Darvas Mária ELTE, Határfelületek és Nanorendszerek Laboratóriuma, Pázmány P. Stny 1/A, H‑1117 Budapest, Hungary Institut UTINAM—UMR CNRS 6213, Faculté des Sciences, Université de Franche-Comté, F-25030 Besançon Cedex, France Miguel Jorge Laboratory of Separation and Reaction Engineering (LSRE)Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias, s/n4200-465 Porto, Portugal Marcello Sega ICP, Stuttgart UniversityPfaffenwaldring 27 70569 Stuttgart Germany Pál Jedlovszky Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Valódi felülethez viszonyított (intrinsic) szabadenergiaprofil számítása fluid határfelületeken

2. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Tartalom • Bevezetés -Alkalmazási területek • Módszerek -Ismert szabadenergiaszámoló módszerek -A korlátozott változók módszere -A határfelület kérdésköre -Az intrinsic módszer - A módszer elve - Technikai kérdések • A víz/1,2-diklóretán/kloridion rendszer példája -A szimuláció részletei -Eredmények

3. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Bevezetés 1.- miért fontos? - Kismolekulák transzportja membránon keresztül Ionok eloszlása határfelületeken B, Elektrokémia -redox folyamatok töltött felületeken -határfelületi ionadszorpció A, Biológiai membránok -ion transzfer -elektron transzfer -gyógyszer célbajuttatás

4. Bevezetés 4.- Szabadenergia profil és a PMF kapcsolata - Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Szimulációk útján közvetlenül nem számítható Lehetetlen meghatározni A szabadenergiát a potential of mean force-szal közelítjük két állapot szabadenergia különbségét számítjuk (TI, FEP)

5. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Módszerek Számítógépes Szimulációs Technikák A, Kváziegyensúlyi módszerek -Korlátozott szabadsági fokok módszere (variable constraining) -Umbrella Sampling B, Dinamikus módszerek - Irányított molekuláris dinamika (Steered Molecular Dynamics) -Metadinamika Több szimuláció A profilt kis egyensúlyi lépésekben kapjuk Egyetlen szimuláció

6. Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere 1.– klasszikus megközelítés Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred • A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban. (1- 3D) • A részecske helyben tartásához a szükséges a rendszer által kifejtett erőt feljegyezzük a szimuláció minden időlépésében. • A tesztrészecskét elmozdítjuk. (kis egyensúlyi lépés) xN Az átlagos erő hely szerinti negatív integrálja a PMF (szabadenergiaprofil). Elterjedt értelmezés: a profilt a makroszkópikus határfelülettől vett távolság (zj) függvényében ábrázoljuk

7. Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere 2.– klasszikus megközelítés Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred F PMF Z A szimulációs protokol

8. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Problémás kérdés – mi a határfelület?- Nem sík, a kapilláris hullámok miatt korrugált Időben változó Sík Időben állandó • makroszkópikusan atomi felbontásban Harmadik részecske a jelenlétében a hatás még kifejezettebb (pl.: vízujj képződés iontranszfer során) Új megközelítés: viszonyítsunk a valódi felülethez (INTRINSIC PMF)

9. ITIM analízis -A valódi határfelület meghatározása– Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Határfelületi molekulák : a próbagolyót megállítják Az atomok méretét a Lennard - Jones L-J paraméterrel közelítjük L-J= 0 a próbagolyó nem látja az atomot

10. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– • A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban (1-3D). • A szimuláció minden időlépésében feljegyezzük a molekula egy helyben tartásához szükséges erőt és a valódi határfelületet alkotó molekulák listáját, amiből kiszámítjuk a pillanatnyi erő (Finst)vs valódi távolság (zint) fuggvényt • A tesztrészecskét kis egyensúlyi lépésben áthelyezzük xN A F(zint) függvény integrálja a PMF az adott zint intrinsic távolságnál Új megközelítés:A szabadenergia profilt a valódi határfelülettől vett intrinsic távolság függvényében ábrázoljuk

11. Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 1. - Az ITIM analízis időigénye Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Csak az ionhoz közeli tesztvonalakat vesszük figyelembe

12. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 2. - Hogyan értendő az intrinsic távolság Háromszöges interpoláció Voronoi módszer x z zint Ctr y Aion

13. Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 3. - Hidrátburok a szerves fázisban. Felület vagy nem? A hidrátburok a felület része Önálló hidrátburok Megoldás: klaszter analízis az ITIM-et megelőzően 1. A hidrátburkot alkotó vízmolekulák kiválasztása 2. A hidrátburok molekuláit is tartalmazó legkisebb klaszter megkeresése B. Mindegyik klaszter kisebb, mint 2×<Nhyd> Valamelyik klaszter nagyobb, mint 2×<Nhyd> A hidrátburok a felület része ITIM Önálló hidrátburok ITIM X

14. Eredmények 1. – A klasszikus PMF – Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Klasszikus PMF Tömegsűrűség

15. Eredmények 2. – Az intrinsic PMF – Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Intrinsic tömegsűrűség Intrinsic PMF

16. Eredmények 3. – Időigény, módszerfüggés– Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22. Mátrafüred Intrinsic PMF

17. Köszönöm a figyelmet!