利用原子-連體力學理論探討生物奈米結構力學行為

Investigation of bionano-scaled structural mechanics using atomistic-continuum mechanics method

韓政男(Cheng-Nan Han)

指導教授 ： 江國寧

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/博士(2008年)

摘要

目前解決奈米尺寸結構力學行為之方法主要以分子動力學為主，然此方法其計算時間間隔約為百兆分之ㄧ秒，因電腦硬體容量限制，故可計算之原子數約為數萬顆數目左右，此一因素，將對未來分析較大型之分子結構力學行為造成限制。本研究發展使用一新理論，用以改善前述分子動力學方法之不足。本研究以有限單元法為基礎，建立一原子-連體力學理論，用以計算奈米尺寸結構之動態力學行為。於該理論中，吾人首先將原子轉換為有限單元之節點，而原子間之化學鍵能即可利用原子-連體力學理論表現之。換言之，如已知各原子之位置及其原子間之作用力，即可使用本法對其結構進行力學行為分析，故本研究方法亦可對探討多重尺度(由奈米尺度至微米尺度)結構之力學行為。吾人並利用暫態有限單元方法分析奈米結構之力學行為，亦可更詳細地獲得於外負載下奈米結構中之機械力學的變化。本研究中所提出的原子-連體理論計算最多可同時模擬數百萬個原子的行為，並可將計算時間間隔增加至千萬分之一秒，故本研究之計算理論可較分子動力學理論有更長時間的歷程分析。本研究之理論可以同時考慮多種化學鍵能之共同作用，期許在未來能有更廣泛之應用。
本研究將利用前述之原子-連體力學法，利用雙股螺旋去氧核醣核酸(double-stranded DNA, dsDNA)與病毒外殼蛋白質結構做為分析載具。首先，於合理的假設下，將原本離散的dsDNA分子結構轉換成為連續體模型，並利用有限單元法分析該結構之力學性質。本研究利用勢能函數與全域力場理論，將DNA骨架間相鄰原子之共價鍵的游離能利用摩斯勢能函數(Morse potential function)描述。且本研究將原子間作用力轉換為一連接兩節點的原子-連體轉換元素，此原子-連體轉換元素其材料特性由上述摩斯勢能函數計算求得，而各相鄰鹼基對間之作用力(氫鍵與凡得瓦力)亦可用此原子-連體轉換單元代表之。本研究於原子間之作用力部份，不僅考慮了鍵結拉伸項，亦同時考慮鍵角變形項。在病毒外鞘薄膜之機械強度探討中，本研究亦將使用薄殼理論與有限單元法來進行計算與模擬。於有限單元法中，本研究首先將組成病毒薄殼之蛋白質等效為一有限單元，而後由文獻所提供之薄殼機械參數(楊氏係數與蒲松比)帶入此等效薄殼單元，計算病毒吞噬核酸後其薄殼所承受之應力，並與文獻所量得之實驗值相互驗證。
因此，本研究將利用原子-連體理論建立自由旋動邊界條件下之dsDNA分子數值模型，並且施加外負載於該數值模型，如此一來，則可經由暫態有限單元法軟體求解此模型力學行為。吾人將前述之數值模擬與實驗量測模擬結果比對，可獲得相當的一致性，並且可以賦予dsDNA分子於拉伸負載下結構變形之力學解釋。而在病毒外鞘薄殼應力分析中，利用等效方法所建構之類真實病毒薄膜模型，改善了薄膜理論解之不足處，且模擬結果與實驗值相比亦落在合理範圍內。於未來方面，期許本研究方法所建構之原子-連體力學法不僅可應用於生物奈米結構，更可解決任意奈米尺寸結構(如半導體之90奈米以下結構或發光二極體之發光層結構)之力學行為分析。
關鍵字：原子-連體力學法、奈米力學、雙股螺旋DNA(ds-DNA)、病毒薄殼、有限單元法

關鍵字

原子-連體力學法 ； 奈米力學 ； 雙股螺旋 ； 病毒薄殼 ； 有限元素法

並列摘要

無資料

並列關鍵字

atomistic-continuum mechanics method ； nano mechanics ； dsDNA ； viruses shell ； finite element method

參考文獻

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