فناوري انفورماتيک و فناوري نانو:پيشرفتهايي در مدلسازي مولکولي

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: مدلسازي مولكولي پايه.اي است براي ارتباطات، درك و توسعة فناوريهاي نو نظيرفناوري نانو.
اين روش راههاي جديدي را در فكر كردن و رسيدن به اهداف فناورانه، فراهم مي.سازد، بنابراين براي توضيح موفقيت.آميز كاربردهاي اين روش، توضيح جنبه.هاي تكنيكي به تنهائي كافي نيست اهميت نيروي انساني متخصص، هدف نهائي هر پروژه، ساختار سازماني و زيرساختهاي محاسباتي در موفقيت اين روش اهميت قابل ملاحظه.اي دارند.
يافته ها، در چهارچوب «كاربردها» (از جنبة فني) و« پروسه.هاي مؤثر دركاربرد» ( تمام زير ساختهاي ملزوم) طبقه بندي مي.شوند.
در مقاله قبلي مروري داشتيم بر قابليتها و چالشهاي دانش انفورماتيک در فناوري نانو. دراين مقاله مي.كوشيم تا حوزه.هاي تحقيقاتي و صنعتي را ،كه مدلسازي مولكولي در آنها، پذيرفته شده.است ، معرفي كنيم و از اين ديدگاه اهميت و نقش دانش انفورماتيك را در فناوري نانو روشن كنيم.
يافته هاي اصلي:
الف)كاربردها
1) مدلسازي مولكولي، به عنوان يك ابزار سودمند و كارا در پاره.اي از صنايع بكار گرفته شده است.
صنايع داروسازي: بالاترين درصد پذيرش و موفقيت مربوط به اين حوزه است.
شيمي زراعت: مدلسازي و اطلاع گيري در جهت مبارزه با آفات: وضعيتي مشابه با صنايع داروسازي
ابزارهاي ويژة شيميايي شامل رنگها و رنگ دانه.ها ، افزودنيهاي روغن، ضد خوردگيها، كاتاليست.ها
صنعت سوخت – توليد منابع مادر، حمل و نقل و پروسه.هاي حاكم بر آن
صنعت پليمر، شيشه و مواد سازه.اي
الكترونيك و مواد فتونيك
گازهاي صنعتي
مراقبتهاي فردي و توليدات غذايي
صنعت نرم افزار سخت افزار
2) اين روشها مقبول شده.اند زيرا آنها آزمايش خود را پس داده.اند:
موفقيتهاي بزرگ طبيعتاً توجهات بيشتري را جذب مي.كند، هم توسط شركتها و هم در عرصة رقابت بين شركتها.
مطالعات اخير 3 زمينة بزرگ موفقيت آميز در زمينة مدلسازي مولكولي را معرفي كرده است:
كشف داروها، توسعة كاتاليست.هاي هموژن و شيمي حرارت
آناليز اجزاء سازه.اي مواد به اين روش اثر مؤثري بر فيزيك ماده – چگال گذاشته است.
موفقيت ها هميشه در مسير قابل پيش.بيني نبوده است. ده يا حتي بيست سال پيش، Rational drug design به عنوان آيندة صنعت داروسازي شناخته مي.شد- در حاليكه، امروزه طراحي و ساخت داروها مبتني بر «كامپيوتر»، بر مبناي خواص فيزيكي وشيميايي آنها- كه به نام "Docking" ناميده مي.شود- با در نظر گرفتن اجزاء مولكولي غشاءهاي سلولي يا ساير اجزاء وابسته به آنها ( اهداف تحت درمان)، آينده اين صنعت را.. پيش.بيني مي.كند. امروزه تا حدودي به اين هدف رسيده.ايم و داروهاي جديدي به عرصة.تجاري سازي رسيده.اند.
بهرحال، اشتياق به منظور طراحي داروهاي تركيبي، به نظر مي.رسد كه روش ساخت تركيبي وزني را از رونق انداخته است . افق جديد اين بود كه شيمي تركيبات، سريعتررشد خواهد كرد و كمتر محدود به تجربه باشد، اما به هر صورت، تلاش در جهت ساخت هر تركيبي امروزه يك فرآيند مهار كردني است. واقعيت حاضر، مبتني بر دانش كامپيوتر محور است كاوشهاي عقلاني در حوزة مقدورات داروهاي جديد به سرعت جهت شناسائي كتابخانة. مولكولهائي كه مي.بايستي بصورت تركيبي در آزمايش بكار گرفته شوند، اعتبار مي.يابند، در اين نقش و در فرم خالص آن طراحي داروها در حوزه كانديدادهاي مقدور و محدود شده معتبر و اثبات شده.اند.
3) بسياري از كمپانيها، چنين مدلسازيهايي را به عنوان يك ضرورت مي نگرند، در حاليكه برخي هنوز آن را يك وسيلة لوكس مي.بينند:
در زمينه.هاي موفقيت آميز بر شمرده شده، هيچ.يك از شركتهاي فوق حتي فكر نمي.كردند كه بدون مدلسازي مولكولي بدين پايه از پيشرفت برسند. در ساير زمينه.ها، مدلسازي يك زمينة فعال در زمينه كاوشهاي پژوهشي است يا انتظار مي.رود كه مورد استفاده واقع شود. مدلسازي مولكولي در صنعت نيز جايگاه خود را باز كرده است.
4) نقش پايه.اي مدلسازي ماده.اي و مولكولي در صنايع شيمي، سرعت توسعه محصولات و آزمايشهاي راهنما را افزايش داده است:
مشاركت فعال مدلسازان در توسعة سريعتر پروسه.هاي توليد، مكرراً به اثبات رسيده است. اثر توانمند، اغلب بسيار مؤثر براي حل مسأله، ميزبانان بزرگي را براي مدلسازان مولكولي فراهم آورده است. مزيت عمده اين روش در اين است كه با استفاده از محاسبات نسبتاً ساده تعداد حالات مقدور براي حل يك مسألة واقعي را مي.توانيم كم كنيم، چه در مرحلة طراحي و توليد و چه در مراحل توسعه با اتخاذ روشهاي دقيق و صحيح اعتبار آزمايشات را تأييد كنيم يا آنها را هدايت كنيم. مدلسازي مي.تواند انتخابها را هدايت كند و حتي در اغلب موارد مي.تواند راههاي توليد بهتر را جهت آزمايش، شناسائي كند.
در عوض مدل سرويسهاي تكنيكي تهيه شده در قالب مدلسازي مولكولي، زماني كه كاملاً با تيمهاي آزمايشگاهي و توسعة داخلي، مزدوج نشده است، داراي تجارب ناموفقي بوده.اند. از اين رو مدلسازي مولكولي، مي بايستي در تعامل كامل با پژوهشگران آزمايشگاهي باشد.
5) علم و تكنولوژي گامهاي بلندي را در راستاي همگرائي موفقيت.آميز برداشته.اند.
سودمندي مهندسي از پيشرفتهاي علمي و نيز تشويق علم به رشد و حركت، از مزاياي مشهود همگرائي علم و مهندسي است. يك مثال برگزيده از اين تعامل در فضاي زمان و مكان، گروههاي كوچك اتمي كه توسط شيمي كوانتوم قابل تفسير بودند از حد اتم هيدروژن و مولکول هيدروژن تا حد دامنه.هاي چندين اتمي شبيه سازي شده.اند و پيشرفتهاي عمده.اي را براي دانشمندان و مهندسان پديد آورده.اند:
شبيه سازي مولكولي با استفاده از ديناميك مولكولي نيوتوني و روشهاي كاتوره.اي مونت كارلوتغييرات سيستم را پيش گوئي كرده است.
روشهاي شبه تجربي مبتني بر اوربيتال مولكولي رو به رشد نهاده.اند.
روشهاي سلسله مراتبي شيمي كوانتوم كه بر آورندة دقت در حوزة زماني است: شامل روشهاي بنيادين گردآوري شده در حوزة « برون يابي» نظير G1/G2/G3 و CBS و روشهاي جايگزيني در حوزة ميدان نظير ONIOM
تئوري ظرفيت الكتروني كاربردي، در حوزة فيزيك فرموله شده است و به منظور مدلسازي در فيزيك ماده- چگال، بكار گرفته شده است.
سواي ديناميك مولكولي كه مشخصاً شروع مي شود با فرمول Car-Parrinello در محاسبات DFT در حال پرواز، ساير روشهاي ديناميك مولكولي به سرعت رشد يافته.اند.
شبيه سازيهاي آشيانه.اي و حوزه.هاي به.هم پيوسته نظير تئوري ميدان مؤثر يا تئوري "Norskov" تئوريهاي اتمهاي الحاقي يا روشهاي خوشه.اي، روشهاي اجزاء محدود، ديناميك مولكولي، مكانيك كوانتوم آبراهام وهمكاران، وتئوري Seamless Zooming كه در ژاپن به سرعت رشد يافته.اند.
مدلهاي شرايط مرزي تناوبي كه اثرات«دوربرد» را مدلسازي مي.كنند.
كلاس عمومي مدلسازي در حوزة Mesoscale كه اغلب با استفاده از معادلات پيوستگي جهت مدلسازي سوپر مولكولي در حوزه.هاي پيوسته صورت مي.گيرد
همزمان با توسعة دانش نانو، مدلسازي مولكولي به عنوان ابزاري منحصر به فرد، مورد توجه واقع شد. نانو بر غناي دانش مدلسازي مولكولي افزوده است و آن را به گونه.اي جدي متحول كرده است. به همين ترتيب، دانش شيمي ژنتيك( جانشاني ژنهاي موجود در ساختار DNA)، نيازمند اين است كه بدانيم چگونه دانش به درون حوزة پروتئين سازي رسوخ مي.كند؟(جانشاني پروتئين.هاي موجود وفعال).
مدلسازي همچنين نقش مهمي در رمز گشائي اين پروسه.ها ايفا مي.كند واين نكته را كشف خواهد كرد كه چگونه يك رشته از آمينو اسيدها مي.تواند خودش را در هندسة پروتئين بگونه.اي آرايش دهد كه رفتار خاصي را موجب شود. علوم كامپيوتر در اين راستا كمكي مؤثر و تحسين برانگيز ايفاء خواهد كرد.
6) مدلسازي مولكولي جهت ادغام و تفسير ابزارهاي تحليلي بكار گرفته خواهد شد.
در پاره.اي موارد، پيش گوئيها داراي حداقل قطعيت نسبت به اندازه.گيريهاي كالريمتري است. به گونه.اي كه مؤثراً آنها را عوض مي.كنند.مدلسازي يك بخش پر اهميت از طيف سنجي نوري NMR و كريستالوگرافي است . نقش هاي آتي را در حوزة تفسير كروماتوگرافي گاز، دايرة رنگي لرزه.اي و طيف سنج جرمي بازي خواهد كرد.
7) شباهتهائي برجسته.اي در بخشهاي مختلف صنعتي وجود دارد.
مدلسازهاي حلاليت و مخلوط كن.هاي واقعي و مدلهائي كه بتواند شيمي را در قالب زيست – شيمي به منظور رفتارشناسي بيولوژيك تركيب كند، پايه.اي براي طراحي داروها هستند. اما همچنين پايه.اي براي مطالعات شيمي زهرشناسي هستند. با پيش گوئي زهرشناسي شيميايي، مي.توان اميدوار بود كه توليداتي طراحي خواهد شد كه كارآئي بالاتر با حداقل مخاطره خواهند داشت.
8) نيازهاي عمده و مورد نياز صنعت روشهائي هستند كه بزگتر، بهتر و سريعتر، باشند و در دامنة بزرگي معتبر باشند و مشتمل بر تكتيكهاي چند مقياسي باشند:
مدلسازي چند مقياسي بر پاية مدلهائي ساخته مي.شود كه مبتني بر حدودي در حوزة زمان واندازه هستند نظير محاسبات انرژي Single-Point در حوزة گاز ايده آل(ايزوله شده) در صفر درجة كلوين.مدلسازي در حوزه هاي محدود اغلب با خواص ان در محيطهاي پيوسته بوسيله مكانيك آماري ادغام مي.شود(نظير ترموشيمي گاز ايده آل)
يك فشار دائمي بر پژوهشگران در راستاي توسعه سريعتر و دقيق تر اين روشها وجود دارد. در انتها، نيز آزمايش كردن اين روشها جهت تعيين اعتبار آنها الزامي است. توجه كنيد كه اساس اين«اعتبار بخشي» بر اين مبنا است كه اعتبار اين روشها را به چه حوزه.ها و به چه حدهائي مي.توان تعميم داد.
مدلسازي در حوزة نانوساختارها و نانوابزارها:
فناوري.نانو، فناوري در مقياس نانو جهت مواد و پرسه.هاي مرتبط با آن است . يك اتم نوعي، داراي قطر واندروالسي، معادل چند دهم نانومتر است. بنابراين مولكولها و ماكرومولكولها در ابعاد نانوئي وكوچكتر هستند. همة برهم كنشها وخواص ماكروسكوپيك ريشه در اين مقياس دارند و بوسيلة مكانيك آماري و فيزيك ماده- چگال اين دو فضا به هم مرتبط مي.شوند. در همان لحظه خواص مكانيكي تحت تأثير ساختار الكتروني، بر هم كنشهاي غير پيوندي، يا مقياسهاي واسطه نظير meso، رفتارهاي سوپر مولكولها، است . هر يك از اين دامنه.ها داراي تأثير و وزني در مدلسازي مولكولي است ومقدوراتي در جهت پيوند ميان اين فضاهاي كاملاً وابسته به هم، در جهت ساخت پازل ماكروئي، رو به رشد نهاده است.
مدلسازي مولكولي و اثر آن بر صنعت( قابليتها و چالشها):
نقش اساسي مدلسازي مولكولي مواد در صنعت، افزايش سرعت توسعه و راهنمائي به سوي آزمايشهاي مؤثر است.
احياي پروژه.هاي مرده، قابل ارزش است:
نقش مدلسازي مولكولي از منظر سرمايه.گذاري كاملاً حائز اهميت است ساخت كاتاليست.هاي همگن، تحليل مكانيزمهاي بر هم كنش يا ساخت پليمرهاي ويژه با كاربري خاص از اثرات مدلسازي مولكولي است.
ناتواني در ادغام كامل و به هم وابستة مدلسازي مولكولي با آزمايش، مي.تواند منجر به تأخير شود.
استفاده از قانون « حق مؤلف» جهت مدلسازان مولكولي، پشتوانه.اي به سوي توسعة اين روشها است.
زير ساختهاي محاسباتي، به سمت پروسه.هاي مناسب و حتي براي اغلب، محاسبات سطح بالا، سوق داده شوند
حركت به جلو: مدلسازي مولكولي كليدي است به منظور مدلسازي فناوريهاي حياتي براي آينده.
براي ابر محاسبات، شبكه سازي سوپر كامپيوترها، ميكرو پردازنده.هاي Pc، پايه اي مناسب جهت محاسبات موازي هستند. NASA در 1993 براي نخستين بار با استفاده از پردازنده.هاي مستعمل اقدام به موازي كردن كامپيوتر با استفاده از سيستم عامل LINUX نمود
از توسعة نرم افزارها، فقط در راستاي توسعة صنعت داروسازي، مي.بايستي اجتناب نمود.
مدلسازان تكنولوژي محور و تكنولوژيست.هاي درك كنندة مدلسازي مورد نيازند:
مدلسازان خاص و عمومي نيازمند به تركيبي از كار كارشناسي محض و قضاوت مهندسي مي.باشند. اين تركيب ساده.تر به همگرائي خواهند رسيد و به گونه.اي است كه نياز به اين تركيب هميشه احساس مي.شود. اين نياز در يك محيط پژوهشي روشن.تر مي.شود بوژه آنكه فشار بازار اقتصادي و رقابت، R&D را وادار به چرخش به اين سمت مي كند. بسياري ار پژوهشگاهها، محيط پژوهشيBell Labs را الگو قرار داده.اند. اين پژوهشگاه كه در آغاز با هدف علوم كاربردي تأسيس شده بود به تدريج به سمت يك محيط تركيبي از علوم محض و كاربردي سوق پيدا كرد.
مهم است كه كارشناسان در يك انستيتوي آموزشي تدريس كنند وهمكاريهاي پژوهشي خود را به عنوان بخشي از آموزش علم در نظر بگيرند.
چشم انداز:
نتايج مدلسازي مولكولي يا محاسبات، در بخش شيمي تحليلي كاملاً جا افتاده است. مدلسازيهاي چند مقياسي نيز با دقت بالاتر ومحاسبات سنگين تر پيگيري مي شود.
تئوريهاي مولكولي و مدلسازيها، شامل تئوري ساختار الكتروني ومدلسازي به عنوان يك زبان بين.المللي علمي در اغلب شاخه هاي علوم ومهندسي پذيرفته شده است.
شيمي، فيزيك، بيولوژي بر مبناي مشاهدات، و دستكاريهايي در حوزة انساني، به مدلسازي مولكلوي وابسته شده.اند. علوم مهندسي اين علوم محض را با يكديگر تركيب كرده و با ملاحظات اقتصادي و مؤلفه هاي كمي فيزيك آن را به حوزة تجارت مي.رسانند.
فيزيك محيطهاي پيوسته و تفكر عميق در طبيعت رفتاري الكترونها در اتم در سالهاي 1800 ميلادي خبر از توسعة مكانيك آماري و مكانيك محيطهاي پيوسته مي.داد. ظهور دانش شيمي- فيزيك و اساس ساختارهاي مولكولي دراواخر 1800 ميلادي حاكي از درك پيوندهاي شيميايي مي.داد كه در نهايت در سالهاي 1930 توسعه يافت و روشهاي شيمي كوانتوم كه در سالهاي 1950 توسعه يافتند.
مدلسازي مولكولي يك روش مركزي است كه با درك رفتار كوانتائي مواد، حتي از ديدگاه پيش.گوئي به موفقيتهائي رسيده است.
توسعة توليدات و عوض شدن پروسه هاي ساخت وتوليد با ظهور مدلسازي مولكولي واثر آن دستخوش دگرگوني شده است مدلسازي مولكولي مي تواند به عنوان يك زير ساخت نامرئي در توسعة علم و فناوري مورد توجه قرار گيرد.
پيشرفتهائي در قدرت سخت افزاري كامپيوترها، مسبب پيشرفتهائي در نرم افزارهاي شبيه سازي شده است كه تغييراتي رويايي را در مدلسازي پديد آورده است و بسياري از مسائل بغرنج را حل كرده است و حتي در نگرشهاي بنيادين علوم، تغييراتي را بوجود آورده است.
آيا دانش هوش مصنوعي دنيا را دگرگون خواهد كرد:
ارزش نتايج محاسباتي، سريعاً افزايش خواهد يافت در صورتيكه فوراً گسترش و رشد يابد. اما آنها زماني گرانبها خواهند شد كه معني اين نتايج به سمت مهندسي يا نيازهاي توسعه، هدايت شود.
پيشرفتهائي در قدرت محاسباتي، درك و قابليتهاي ما را در كاربردي كردن فيزيك و شيمي محاسباتي توسعه خواهد داد. همانگونه كه پيشرفتهائي بزرگ در تكنولوژي اغلب منشعب از نتايج و مشاهدات آزمايشگاهي است، مدلسازي مولكولي با افزايش دقت در حل پيچيدگيهاي مدل به گونه.اي كه منجر به نتايج سودمند كاربردي شود، در رشد تكنولوژي مفيد است. البته نبايد از نظر دور داشت كه 90% مسائل در ذهن ساخته و پرداخته مي.شود وابزارهاي محاسباتي تنها راهي براي آزمايش، روشهاي مختلف حل هستند.
مدلسازي مؤثر و مديريت نتايج آن، به برداشت كارشناسي و موفقيت آميز از كدهاي مدلسازي مولكولي وابسته است البته، انتخاب روشهاي تئوري بر پاية مجموعة شيمي كوانتوم يا پتانسيلهاي بر هم كنشي ( شبيه سازي مولكولي) حداقل نقش و سطح را در تصميم سازي ايفاد مي كنند.
كدام تركيب براي متعادل كردن زمان و دقت مورد نياز است؟ بهترين تنظيمات براي بهترين نتايج صنعتي كدامند؟
يك Interface مناسب مي.تواند در خواست.ها را ارزيابي كند و پيشنهاداتي را در جهت برآورد زمان محاسبات و ساير منابع مورد نياز، به استفاده كننده نشان دهد. همچنين با نشان دادن نتايج وتصوير سازي نتايج محاسبه شده راههائي را براي ارزيابي نشان مي.دهد.

منبع: کد: http://www.nano.ir منابع :

1. Kay, L.E. 1992. The Molecular Vision of Life: Caltech, the Rockefeller Foundation and the Rise of the New Biology. Oxford University Press.

2. Warnatz, J. 1981. Proc. of the Combustion Institute, 18, 369.

4. Westmoreland, P.R., J.B. Howard, and J.P. Longwell. 1986. Proc. of the Combustion Institute, 21, 773.

Resources

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 156]