Піддубний Т. Ю. Структура комплексів 2D-наноматеріалів з біологічними молекулами

У дисертаційній роботі представлені результати досліджень структури та міжмолекулярної взаємодії у нанокомплексах дисульфіду молібдену (МоS2) з біологічними молекулами (основи нуклеїнових кислот (ОНК)), лікарські препарати ламівудин та тегафур). Було вперше використано метод теорії функціоналу густини для встановлення впливу трьох типів міжмолекулярних взаємодій – ковалентних координаційних зв'язків, водневих зв'язків та дисперсійної взаємодії – на структуру, стабільність та спектральні характеристики комплексів. Окремо досліджено вплив структурних дефектів МоS2 на міжмолекулярну взаємодію та коливальні спектри. Показано, що саме утворення координаційних зв'язків викликає найсильніші характеристичні спектральні зміни в досліджуваних нанокомплексах. Розроблено практичні рекомендації щодо методів підготовки зразків для експериментальної реєстрації інфрачервоних та раманівських спектрів комплексів МоS2 з біологічними молекулами. Для канонічних ОНК встановлені спектральні маркери взаємодії з МоS2. У вступі коротко обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи як у фундаментальному, так і у прикладному аспектах, визначено мету, завдання, об’єкти, предмет та методи дослідження. Сформульовано наукову новизну та описано практичне значення отриманих результатів. Наведено відомості про публікації, особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації. Також наведено інформацію про структуру та обсяг представленої дисертаційної роботи. У першому розділі представлено огляд літератури за темою дисертації. В огляді розглянуті відомі результати щодо структури та властивостей одношаровий двовимірних (2D) дихалькогенідів перехідних металів (ДПМ). У другому розділі детально описано методи проведення розрахункових досліджень структури, стабільності та коливальних спектрів MoS2 з біологічними молекулами. Обґрунтовано вибір найбільш оптимального функціоналу густини, а також базисних наборів для кожного типу атомів у досліджених системах. Третій розділ присвячено дослідженню змін у ІЧ та раманівських спектрах ОНК при їх взаємодії з MoS2 та ідентифікації характеристичних спектральних маркерів цієї взаємодії. Аналіз отриманих результатів дозволив виявити унікальні спектральні маркери для кожної ОНК. Також у третьому розділі представлені результати досліджень впливу точкових дефектів МоS2 на коливальні спектри комплексів з пуриновими ОНК. Встановлено, що основний внесок у енергію взаємодії (75-90%) дає утворення координаційних зв'язків. Показано кореляцію енергій взаємодії зі значеннями індексів зв'язків Віберга. У четвертому розділі представлені результати досліджень комплексів тегафуру та ламівудину з фрагментами MoS2. Розрахунки нековалентних та ковалентних комплексів виконувались як для неушкодженого MoS2, так і для MoS2 з точковими дефектами поверхні. Також було розраховано та проаналізовано ІЧ- та раманівські спектри комплексів. У результаті були виявлені характерні спектральні прояви взаємодій між молекулами лікарських препаратів та MoS2. Розрахунки виконано як у вакуумному наближенні, так і з урахуванням водного середовища. Визначено вплив водного середовища на енергії взаємодії та спектральні характеристики досліджуваних комплексів. Дисертаційна робота представляє оригінальні результати з дослідження міжмолекулярних взаємодій у системах на основі MoS2 та біологічних молекул (основ нуклеїнових кислот та лікарських препаратів). За допомогою квантово-механічного методу теорії функціоналу густини встановлено механізми впливу координаційних зв’язків, водневих та стекінг-взаємодій на структурну стабільність і коливальні характеристики таких комплексів. Виявлено фундаментальну роль точкових дефектів поверхні MoS2 у формуванні ковалентних координаційних зв’язків, що суттєво змінюють електронну структуру та спектральні маркери досліджуваних біомолекул. Отримані дані щодо енергії взаємодії та спектральних проявів є теоретичним підґрунтям для розробки нових біосенсорних пристроїв та систем цільової доставки фармакологічних агентів, а також можуть бути використані для калібрування силових полів у подальших розрахунках методом молекулярної-динаміки.