رویکرد ریگاتونی به کشش دو لایه

نیروی کششی در امتداد یک لوله لایه لیپید استوانه ای متناسب با مدول خمشی غشای و معکوس متناسب با شعاع لوله است. این رابطه ، که به طور تجربی برای اندازه گیری سفتی های خمشی مورد سوء استفاده قرار می گیرد ، می تواند با سهولت بیشتر در شبیه سازی های رایانه ای اعمال شود. با استفاده از یک مدل دو لایه درشت دانه ، ما نشان داده ایم که چگونه ممکن است به طور موثر سفتی های خمشی را بدست آوریم که بسیار خوب با اندازه گیری های مکمل بر اساس تجزیه و تحلیل حالت های خنثی حرارتی مقایسه می شود. یکی از یافته های قابل توجه این تحقیق این بود که هیچ انحرافی از نظریه پیوسته دوم درجه دوم تا شعاع انحنای قابل مقایسه با ضخامت دو لایه رخ نمی دهد.

سفتی های خمشی به صورت تجربی با تکنیک های مختلف در نهایت بر اساس یکی از دو رویکرد کلی اندازه گیری شده است: ممکن است یکی از وابستگی عایق های حرارتی به استحکام یک غشاء استفاده کند ، یا نیروی مورد نیاز برای خم شدن فعال آن را اندازه گیری کند. تحقق سنتی رویکرد اول نظارت بر نوسانات وزیکول ها به عنوان تابعی از طول موج توسط میکروسکوپ نوری ، روشی است که به نام "طیف سنجی سوسو" نامیده می شود. یک روش آزمایشی مرتبط بر اساس تکنیک های دستکاری میکرو پیپت است. در آنجا ، طیف سوسو زدن با افزایش فشار پیپت سرکوب می شود و استحکام خمش را می توان از رژیم کم تنش منحنی منطقه تنش بدست آورد. رویکرد دوم به طور معمول با اندازه گیری نیروی مورد نیاز برای کشیدن لوله های دو لایه نانو (TETHERS) از وزیکول اجرا می شود. از آنجا که تشکیل یک لوله شامل ایجاد انحنای زیاد است ، کار برای کشیدن یک اتصال در اصل در برابر انرژی خمشی انجام می شود ، از این رو می توان مدول را از آن تعیین کرد.

تعیین استحکام خمشی البته در مطالعات شبیه سازی رایانه ای از لایه های لیپید به همان اندازه مهم است و طیف روشهای موجود یکسان است. با این حال ، تا کنون متداول ترین رویکرد در شبیه سازی ها ، طیف سنجی سوسو زدن است ، هم برای شبیه سازی های اتمی و هم برای روشهای مختلف دانه درشت.

در اصل ، یکی از غشاهای تقریباً مسطح ، که در شرایط مرزی دوره ای XY جعبه شبیه سازی قرار دارد ، شبیه سازی می کند و نوسانات آن را به روش وابسته به بردار موج کنترل می کند. در تئوری خطی هلفریش به راحتی می توان فهمید که دامنه مربع مربع یک حالت فوریه غشایی توسط

از این طیف ، مدول خمشی Kappa را می توان با اتصالات مناسب استخراج کرد.

با وجود رایج بودن ، این روش دارای دو معایب مهم است. اول ، مقادیر بزرگ مدول خمشی منجر به دامنه های بسیار کوچک می شود ، که حل و فصل طیف سوسو زدن را دشوار می کند. دوم ، منحنی هایی که در واقع مورد بررسی قرار می گیرند بسیار ضعیف هستند. دیدن این که در حالت تنش ، میانگین شعاع انحنای که با نوسانات حرارتی هیجان زده می شود ، چندین برابر اندازه سیستم است. در حقیقت ، با استفاده از طیف نوسان محاسبه شده در بالا ، به راحتی می بینیم:

این بدیهی است که بسیار بزرگتر از کاری است که واقعاً دوست دارد در بسیاری از شرایط با یک غشای انجام دهد. این سؤال را باز می کند که ثابت های الاستیک اندازه گیری شده واقعاً مرتبط هستند.

ما روش جایگزین زیر را پیشنهاد کردیم: یک وزیکول استوانه ای ایجاد کنید ، که در شرایط مرزی دوره ای جعبه پخش شده است ، همانطور که در شکل 1 در سمت راست نشان داده شده است. هر دو فریم الف) و ب) تعداد لیپیدها به یکسانی دارند ، اما الف) دارای یک جعبه کوتاه تر و بنابراین شعاع لوله بزرگتر است. این همچنین بدان معنی است که انرژی خمش در A) کوچکتر است ، و این بدان معنی است که به طور کلی وزیکولهای استوانه ای در امتداد محور خود نیروی کششی دارند ، زیرا آنها سعی می کنند طول خود را کوتاه کنند تا شعاع خود را افزایش دهند. از آنجا که دلیل نهایی این نیرو خم شدن انرژی است ، می توان مدول خمشی را از این نیرو بدست آورد ، و در واقع به راحتی می توان نشان داد که رابطه بسیار ساده زیر وجود دارد:

به عبارت دیگر ، ما فقط باید دو چیز را اندازه گیری کنیم: نیروی محوری F در امتداد جهت لوله و شعاع R لوله. این مقدار دوم است که از استفاده مستقیم از این روش ساده در آزمایشات جلوگیری می کند. در حالی که اندازه گیری نیروها در محدوده Piconewton (با استفاده از موچین نوری) بسیار آسان است ، شعاع وزیکول به طور معمول به صورت زیر نواری معلوم می شود ، از این رو هیچ روش مستقیمی برای به دست آوردن R و بهره برداری از فرمول ساده فوق وجود ندارد. باید کارهای پیچیده تری انجام شود.

ما چنین اندازه گیری ای را برای یک مدل لایه لیپید درشت دانه با یک سری وزیکول ، همه با یک خاصیت ماده ، اما با شعاع وزیکول مختلف انجام داده ایم. نتیجه در شکل 2 در سمت راست نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود ، این نیرو در واقع با شعاع اتصال متناسب با شعاع متناسب است. inset محصول شعاع زمان نیرو (تقسیم بر دو PI) را به عنوان تابعی از انحنای سیلندر نشان می دهد ، که به عنوان نسبت ضخامت دو لایه W و شعاع وزیکول r بیان شده است. نکته قابل توجه ، مقدار حاصل در میله های خطا ثابت است (در مورد ما در حدود 12 کیلومتری) ، حتی اگر شعاع انحنای ظاهراً به ضخامت دو لایه نزدیک شود! از این رو ، به نظر می رسد که خاصیت ارتجاعی منحنی درجه دوم ، توضیحی کاملاً صحیح از مدل غشای ما تا انحنای بسیار بالا است.

سفتی های خمش غشایی به طور سنتی از طیف نوسان آنها تعیین می شود. با این حال ، خم شدن فعالانه نه تنها ممکن است یک رویکرد سریعتر برای مشکل باشد ، بلکه می تواند اطلاعات مهمی در مورد رفتار خمش قوی ارائه دهد.

شکل 1: شبیه سازی غشاهای لیپیدی استوانه ای در شرایط مرزی دوره ای یک جعبه شبیه سازی. هر دو لوله دارای یک تعداد لیپیدها هستند ، اما حالت دوم شعاع کمتری دارد و از این رو انرژی انحنای بالاتری دارد. در نتیجه ، تحت یک نیروی کششی بزرگتر f قرار دارد.

شکل 2: نیرو F را به عنوان تابعی از شعاع Tether R ، و محصول F به عنوان تابعی از R (inset). حالت دوم متناسب با استحکام خمش κ و اساساً مستقل از R ، حتی برای R بسیار کوچک است ، نشان می دهد که حتی برای منحنی های بسیار بزرگ نظریه الاستیک کمترین مرتبه ساده بسیار خوب کار می کند.

آیا به دنبال یک پروژه پژوهشگر ، موقعیت دکترا یا پروژه تحقیقاتی کارشناسی ارشد یا مشابه هستید؟به اطلاعیه های ما نگاهی بیندازید!

منابع مالی: