Zajęcia 9 - Nanomembrana

Nanomembrana
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem modelowania przepływu (dyfuzji) wody przez
struktury nanoskopowe – nanorurki. Ćwiczenie składa się z trzech etapów:
1. Analiza układu początkowego – nanoruka + woda.
2. Swobodny przepływ dwustronny wody przez nanorurkę.
3. Wymuszony przepływ pod wpływem ciśnienia zewnętrznego.
Analiza układu początkowego
1. W VMD wczytaj pliki nanorurka.pdb i nanorurka.psf.
2. W oknie Representation w polu selection wpisz „not waters” i naciśnij Enter. W ten sposób
wybierzesz wszystkie atomy których residuum nie jest „waters”.
3. Zmierz średnicę i wyokość nanorurki.
4. Wróc do reprezentacji wszyskich atomów (polecenie „all” w Representation). Zmierz rozmiar
badanego układu. W zakładce Periodic zaznacz powielenie układu względem periodycznych
warunków brzegowych (+- X, Y, Z).
Dyfuzja obustronna
Naszym celem będzie przebadanie układu w warunkach normalnych bez udziału ciśnienia. W
tym celu przeanalizujemy wcześniej przygotowaną symulację układu z poprzeniego
paragrafu o czasie 3 ns.
1. Wczytaj pliki cnt.psf oraz rownowaga.dcd.
2. Wybierz wyświetlanie tylko wody. Czy cząsteczki wody są zorientowane w jakiś
charakterystyczny sposób?
3. Zaznacz (wciśnij klawisz 1) myszka kilka atomów tlenu wewnątrz nanorurek. Prześledź
ich ruch w czasie. Czy cząsteczki przesuwają się w jednym kierunku?
4. Dokonaj analizy ilościowej ruchu cząsteczek wody poprzez analizę ruchu wybranej
cząsteczki wody. W pierwszej klatce zmierz odleglość pomiędzy cząsteczką wody a
najbliższym atomem węgla. Atom węgla będzie naszym punktem odniesienia. W oknie
Lables -> Bonds -> Graph przedstaw graficznie jak zmienia się odległość w czasie. Co
zauważasz? Czy widzisz jakieś prawidłowości?
Dyfuzja wymuszona
1. Ciśnienie w symulacji jest wprowadzone poprzez dodatkową siłę działającą na każdy
atom tlenu w warstwie o grubości 5.4 A. Dokładne rozmiary układu to 23 A x 19.9 A x
30.4 A. Wiedząc, że dodatkowa sila wynosi 0.4 Kcal/mol/A oblicz odpowiadającą różnicę
ciśnień:
gdzie n jest liczbą cząstek zaś A powierzchnią układu. Porównaj tą wartość z ciśnieniem
atmosferycznym. Liczbę cząstek możesz oszacować korzystając z objętości molowej wody (55.5
mol/l).
2. Wczytaj pliki cnt.psf oraz rownowaga2.dcd
3. Wybierz wyświetlanie tylko wody. Czy cząsteczki wody są zorientowane w jakiś
charakterystyczny sposób? Wyjaśnij co obserwujesz.
4. Przeprowadzimy analizę RMSD wody aby znaleźć czas kiedy układ jest w stanie
równowagi. Wybierz Extensions -> Analysis -> RMSD Visualizer Tool.
5. W oknie Atom Selection wpisz „waters” i naciśnij przycisk RMSD. W oknie poniżej pokaże
się plik wynikowy, zaznacz go a następnie naciśnij pole „Plot results”.
6. Przeanalizuj wykres. Wyjaśnij dlaczego RMSD początkowo rośnie by później ustalić się
przy ok. 20 A. Skąd taka wartość?
7. Aby policzyć współczynnik dyfuzji musielibyśmy policzyć RMSD cząsteczek wody
znajdujących się tylko w nanorurkach. Zamiast tego oszacujemy RMSD poprzez analizę
ruchu pojedynczej cząsteczki wody. Przedź do klatki odpowiadającej stanowi równowagi.
Podobnie jak w punkcie poprzednim wybierz cząsteczką wody i zmierz jej odległość do
wybranego atomu węgla. Przedstaw ewolucję odległości na wykresie. Zindentyfikuj
moment kiedy cząsteczka wychodzi z nanorurki. Do oszacowania współczynnika dyfuzji
skorzystaj z równości (pamiętaj o jednostkach):