Metodologia cercetarii

Etapa 1. Se va crea un instrument computational puternic de modelare si simulare de dinamica moleculara a bioparticulelor aflate in camp electric si/sau magnetic variabil. Dinamica moleculara presupune integrarea ecuatiilor de miscare pentru zeci de milioane de particule (incluzand moleculele solvent) si extragerea configuratiilor de echilibru/tranzitie. In aceste simulari ionii si moleculele de apa sunt reprezentati prin sarcini punctuale extinse, in care interactiunile de la distanta sunt date de legea lui Coulomb intre sarcini punctuale, iar fortele cu raza scurta de actiune deriva dintr-un potential de tip Lennard-Jones sau Born-Mayer-Huggins. Molecula poate fi rigida sau flexibila, sarcinile pot fi constante (model nepolarizabil) sau fluctuante (modele polarizabile).

Etapa 2. In aceasta etapa, pe plan teoreticvor fi elaborate modele teoretice cu putere predictiva ridicata pentru evaluarea proprietatilor electro-magnetice ale nano-biosistemelor; iar pe plan computational, vor fi dezvoltati algoritmi cu convergenta rapida ca parte a instrumentului de investigare virtuala. Cele doua activitati contribuie sinergic la alegerea directiilor promitatoare de urmat in etapa a 3 - a. In aceasta etapa se vor modela si proiecta microelectrozii pentru dielectroforeza, micromagnetii si valvele de spin pentru magnetoforeza. De asemenea, se vor identifica preliminar modelele accesibile, metodele de observare si de simulare. Modificand impedata in circuit la trecerea celulelor printr-o deschidere mica, se va dezvolta un nou citometru de curgere pe un chip pentru modelarea transportului particulelor din sange. Se va studia influenta dimensiunilor particulelor asupra rezistentei canalului.

Etapa 3. Pentru stabilirea dimensiunilor optime si pozitionarea microelectrozilor se vor folosi pachete software specializate: ANSYS, DL_POLY si CHARMM/Amber. Se vor face masuratori AFM pentru studierea topografiei si cartografierii suprafetelor. Modificarea controlata a suprafetelor se va face prin bombardare cu ioni, in plasma de descarcare cu ioni reactivi, in atmosfera de Ar, O2, SF6 sau CF4. Microfabricarea si nanostructurarea permit crearea unor geometrii diferite de microcanale si respectiv functionalizarea suprafetelor pentru facilitarea separarii si sortarii moleculelor, dar si pentru deplasarea lor controlata. Modificarea suprafetelor prin implant ionic mareste gradul de aderenta si deci energia de activare a suprafetei

Etapa 4. Se vor elabora algoritmi numerici cu convergenta rapida cu scopul reducerii efortului computational in simularea proprietatilor sistemelor nanometrice. Mecanica cuantica clasica trebuie adaptata la descrierea sistemelor deschise cu spectru mixt si masa variabila a particulelor. Din punct de vedere al simularii structurilor nanometrice, pe scara larga se folosesc aproximarile semiclasice ale ecuatiei Schrodinger de tip hidrodinamic sau cinetic cuplate cu ecuatiile Navier Stokes, Pradl pentru stratul limita si ecuatia Poisson. O limitare importanta in aplicarea acestor modele este efortul computational mare in rezolvarea numerica, de obicei realizata prin metode de tip element finit sau diferente finite. Simularea nu este decat o interfata intre teorie si experiment, cunoscute fiind costurile mari de montare a unui experiment in micro-nanotehnologie. Metoda de determinare a susceptibilitatii magnetice si a constantei dielectrice se bazeaza pe teoria raspunsului liniar ce leaga media pe ansamblu a unei marimi observabile de campul extern aplicat. Constanta de proportionalitate este asa-numita susceptibilitate generalizata complexa.

Etapa 5. Rezulatele partiale computationale sunt sumate si este scris si optimizat codul numeric al simulatorului. Se vor realiza modelele teoretice finale ale dispozitivelor de separare dielectroforetica si magnetoforetica Se vor elabora modele numerice care vor fi implementate in simulator; Se vor optimiza algoritmii numerici in vederea diminuarii efortului computational. Validarea modelelor teoretice elaborate se va face prin comparare cu datele simularilor. De notat, ca activitatile de cercetare legate de interfata bio/semiconductor sunt derulate pana la nivel de simulare, fara experimentarea directa cu celule vii.