Nieuwe tool maakt ongekende modellering van magnetische nanodeeltjes mogelijk

Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe rekentool ontwikkeld waarmee gebruikers simulaties van multifunctionele magnetische nanodeeltjes in ongekend detail kunnen uitvoeren. De vooruitgang maakt de weg vrij voor nieuw werk gericht op de ontwikkeling van magnetische nanodeeltjes voor gebruik in toepassingen van medicijnafgifte tot sensortechnologieën.

“Zelfassemblerende magnetische nanodeeltjes, of MNP’s, hebben veel gewenste eigenschappen”, zegt Yaroslava Yingling, corresponderend auteur van een paper over het werk en een Distinguished Professor of Materials Science and Engineering bij NC State. “Maar het was een uitdaging om ze te bestuderen, omdat rekenmodellen moeite hebben om rekening te houden met alle krachten die deze materialen kunnen beïnvloeden. MNP’s zijn onderhevig aan een gecompliceerd samenspel tussen externe magnetische velden en van der Waals, elektrostatisch, dipolair, sterisch, en hydrodynamische interacties.”

Veel toepassingen van MNP’s vereisen een begrip van hoe de nanodeeltjes zich zullen gedragen in complexe omgevingen, zoals het gebruik van MNP’s om een ​​specifiek eiwit of medicijnmolecuul af te leveren aan een gerichte door kanker aangetaste cel met behulp van externe magnetische velden. In deze gevallen is het belangrijk om nauwkeurig te kunnen modelleren hoe MNP’s zullen reageren op verschillende chemische omgevingen. Eerdere computationele modelleringstechnieken die naar MNP’s keken, waren niet in staat om alle chemische interacties die MNP’s ervaren in een bepaalde colloïdale of biologische omgeving te verklaren, in plaats daarvan voornamelijk gericht op fysieke interacties.

“Die chemische interacties kunnen een belangrijke rol spelen in de functionaliteit van de MNP’s en hoe ze reageren op hun omgeving”, zegt Akhlak Ul-Mahmood, eerste auteur van het artikel en een Ph.D. student aan NC State. “En gedetailleerde computationele modellering van MNP’s is belangrijk omdat modellen ons een efficiënt pad bieden om MNP’s voor specifieke toepassingen te ontwikkelen.

“Daarom hebben we een methode ontwikkeld die rekening houdt met al deze interacties en hebben we open-sourcesoftware gemaakt die de materiaalwetenschappelijke gemeenschap kan gebruiken om deze te implementeren.”

“We zijn optimistisch dat dit significant nieuw onderzoek naar multifunctionele MNP’s zal vergemakkelijken”, zegt Yingling.

Om de nauwkeurigheid van de nieuwe tool aan te tonen, concentreerden de onderzoekers zich op oliezuurligand-gefunctionaliseerde magnetiet-nanodeeltjes, die al zijn bestudeerd en goed worden begrepen.

“We ontdekten dat de voorspellingen van onze tool over het gedrag en de eigenschappen van deze nanodeeltjes consistent waren met wat we weten over deze nanodeeltjes op basis van experimentele observatie”, zegt Mahmood.

Bovendien bood het model ook nieuwe inzichten in het gedrag van deze MNP’s tijdens zelfassemblage.

“We denken dat de demonstratie niet alleen laat zien dat onze tool werkt, maar ook de toegevoegde waarde benadrukt die het kan bieden om ons te helpen begrijpen hoe deze materialen het beste kunnen worden ontwikkeld om hun eigenschappen te benutten”, zegt Yingling.

Het artikel, “All-Atom Simulation Method for Zeeman Alignment and Dipolar Assembly of Magnetic Nanoparticles”, is gepubliceerd in de Journal of Chemical Theory and Computation.