Studium molekulárních interakcí na polovodičových površích výpočetními metodami

Abstract

Interakce molekul s povrchy polovodičů byly vždy zásadním tématem ve fyzice, chemii a vědě o materiálech kvůli novým a zajímavým strukturním, chemickým, elektronickým a optickým vlastnostem takových rozhraní. V literatuře však stále existují velké mezery, zejména v pochopení rozhraní mezi polovodiči na bázi oxidu kovů a biologickými složkami (od proteinů a peptidů po jednotlivé aminokyseliny). Zejména teoretická práce může poskytnout nové poznatky a interpretační přístupy. V této práci jsou nejprve teoreticky studovány neideality v mřížce ZnO reálných materiálů (kyslíkové a zinkové vakance nebo příměsi atomů erbia), které vykazují znatelný vliv na elektronické a optické vlastnosti ZnO. Poté se zaměřujeme na výpočetní studium interakcí mezi povrchy ZnO a dvěma dobře známými a biologicky důležitými molekulami, bovinním sérovým albuminem (BSA) a thiorfanem. Klasická metoda silového pole a metoda těsné vazby založená na funkcionálu hustoty (DFTB) jsou využívány komplementárním způsobem. Výsledky výpočtu jsou také podpořeny experimentálními výsledky mikroskopie atomárních sil (AFM). Porovnáváme adsorpci daných vybraných biomolekul na různých polárních a nepolárních površích ZnO. BSA se adsorbuje na všech studovaných typech povrchů ZnO, přičemž bylo zjištěno, že interakce jsou značně ovlivněny chemií povrchové struktury ZnO v atomárním měřítku. V případě thiorfanu simulace molekulární dynamiky využívající CO dipólová pole k napodobení povrchové polarity ZnO ukazují, že povrchová polarita, která vede k odlišné orientaci elektrického pole a závislosti na vzdálenosti, má klíčovou roli v interakcích a molekulárním sestavování spíše než povrchová chemie. Studium biomolekul interagujících s magnetizovanými povrchy ukazuje zajímavou závislost na typu enantiomeru a směru magnetického dipólu povrchu.

Interactions of molecules with semiconductor surfaces have always been a crucial topic in physics, chemistry, and materials science due to the novel and interesting structural, chemical, electronic, and optical properties of such interfaces. However, there are still large gaps in the literature, especially in understanding the interfaces between metal oxide semiconductors and biological components (from proteins, and peptides to single amino acids). Especially theoretical work can provide new insights and interpretation approaches. In this work, at first, the non-idealities in the ZnO lattice of real materials (oxygen and zinc vacancies or impurity erbium atoms) are theoretically studied, showing noticeable effects on the electronic and optical properties of ZnO. We then focus on computational study of interactions between the ZnO surfaces and two well-known and biologically important molecules, bovine serum albumin (BSA) and thiorphan. The classical force field method and quantum-based density functional tight binding (DFTB) approaches are employed in a complementary manner. The computational findings are also supported by atomic force microscopy (AFM) experimental results. We compare the adsorption of these selected biomolecules on different ZnO polar and non-polar surfaces. BSA adsorbs on all the studied ZnO surfaces, while interactions are found to be considerably affected by the atomic scale surface structure chemistry of ZnO. In the case of thiorphan, molecular dynamics simulations using CO dipole arrays to mimic ZnO surface polarity show that the surface polarity, giving rise to different electric field orientation and distance dependence, has the key role in the interactions and molecular assembly rather than the surface chemistry. Finally, study of biomolecules interacting with magnetized surfaces shows interesting dependency on the type of enantiomers and direction of magnetic dipole of the surface.