فناوري انفورماتيک و فناوري نانو:پيشرفتهايي در مدلسازي مولکولي

مدلسازي مولكولي پايه‌اي است براي ارتباطات، درك و توسعة فناوريهاي نو نظيرفناوري نانو.
اين روش راههاي جديدي را در فكر كردن و رسيدن به اهداف فناورانه، فراهم مي‌سازد، بنابراين براي توضيح موفقيت‌آميز كاربردهاي اين روش، توضيح جنبه‌هاي تكنيكي به تنهائي كافي نيست اهميت نيروي انساني متخصص، هدف نهائي هر پروژه، ساختار سازماني و زيرساختهاي محاسباتي در موفقيت اين روش اهميت قابل ملاحظه‌اي دارند.
يافته ها، در چهارچوب «كاربردها» (از جنبة فني) و« پروسه‌هاي مؤثر دركاربرد» ( تمام زير ساختهاي ملزوم) طبقه بندي مي‌شوند.
در مقاله قبلي مروري داشتيم بر قابليتها و چالشهاي دانش انفورماتيک در فناوري نانو. دراين مقاله مي‌كوشيم تا حوزه‌هاي تحقيقاتي و صنعتي را ،كه مدلسازي مولكولي در آنها، پذيرفته شده‌است ، معرفي كنيم و از اين ديدگاه اهميت و نقش دانش انفورماتيك را در فناوري نانو روشن كنيم. يافته هاي اصلي:   الف)كاربردها     1) مدلسازي مولكولي، به عنوان يك ابزار سودمند و كارا در پاره‌اي از صنايع بكار گرفته شده است.

• صنايع داروسازي: بالاترين درصد پذيرش و موفقيت مربوط به اين حوزه است.
• شيمي زراعت: مدلسازي و اطلاع گيري در جهت مبارزه با آفات: وضعيتي مشابه با صنايع داروسازي
• ابزارهاي ويژة شيميايي شامل رنگها و رنگ دانه‌ها ، افزودنيهاي روغن، ضد خوردگيها، كاتاليست‌ها
• صنعت سوخت – توليد منابع مادر، حمل و نقل و پروسه‌هاي حاكم بر آن
• صنعت پليمر، شيشه و مواد سازه‌اي
• الكترونيك و مواد فتونيك
• گازهاي صنعتي
• مراقبتهاي فردي و توليدات غذايي
• صنعت نرم افزار سخت افزار

    2) اين روشها مقبول شده‌اند زيرا آنها آزمايش خود را پس داده‌اند: موفقيتهاي بزرگ طبيعتاً توجهات بيشتري را جذب مي‌كند، هم توسط شركتها و هم در عرصة رقابت بين شركتها.
مطالعات اخير 3 زمينة بزرگ موفقيت آميز در زمينة مدلسازي مولكولي را معرفي كرده است:
كشف داروها، توسعة كاتاليست‌هاي هموژن و شيمي حرارت
آناليز اجزاء سازه‌اي مواد به اين روش اثر مؤثري بر فيزيك ماده – چگال گذاشته است.
موفقيت ها هميشه در مسير قابل پيش‌بيني نبوده است. ده يا حتي بيست سال پيش، Rational drug design به عنوان آيندة صنعت داروسازي شناخته مي‌شد- در حاليكه، امروزه طراحي و ساخت داروها مبتني بر «كامپيوتر»، بر مبناي خواص فيزيكي وشيميايي آنها- كه به نام "Docking" ناميده مي‌شود- با در نظر گرفتن اجزاء مولكولي غشاءهاي سلولي يا ساير اجزاء وابسته به آنها ( اهداف تحت درمان)، آينده اين صنعت را‌‌ پيش‌بيني مي‌كند. امروزه تا حدودي به اين هدف رسيده‌ايم و داروهاي جديدي به عرصة‌تجاري سازي رسيده‌اند.
بهرحال، اشتياق به منظور طراحي داروهاي تركيبي، به نظر مي‌رسد كه روش ساخت تركيبي وزني را از رونق انداخته است . افق جديد اين بود كه شيمي تركيبات، سريعتررشد خواهد كرد و كمتر محدود به تجربه باشد، اما به هر صورت، تلاش در جهت ساخت هر تركيبي امروزه يك فرآيند مهار كردني است. واقعيت حاضر، مبتني بر دانش كامپيوتر محور است كاوشهاي عقلاني در حوزة مقدورات داروهاي جديد به سرعت جهت شناسائي كتابخانة‌ مولكولهائي كه مي‌بايستي بصورت تركيبي در آزمايش بكار گرفته شوند، اعتبار مي‌يابند، در اين نقش و در فرم خالص آن طراحي داروها در حوزه كانديدادهاي مقدور و محدود شده معتبر و اثبات شده‌اند.     3) بسياري از كمپانيها، چنين مدلسازيهايي را به عنوان يك ضرورت مي نگرند، در حاليكه برخي هنوز آن را يك وسيلة لوكس مي‌بينند: در زمينه‌هاي موفقيت آميز بر شمرده شده، هيچ‌يك از شركتهاي فوق حتي فكر نمي‌كردند كه بدون مدلسازي مولكولي بدين پايه از پيشرفت برسند. در ساير زمينه‌ها، مدلسازي يك زمينة فعال در زمينه كاوشهاي پژوهشي است يا انتظار مي‌رود كه مورد استفاده واقع شود. مدلسازي مولكولي در صنعت نيز جايگاه خود را باز كرده است.     4) نقش پايه‌اي مدلسازي ماده‌اي و مولكولي در صنايع شيمي، سرعت توسعه محصولات و آزمايشهاي راهنما را افزايش داده است: مشاركت فعال مدلسازان در توسعة سريعتر پروسه‌هاي توليد، مكرراً به اثبات رسيده است. اثر توانمند، اغلب بسيار مؤثر براي حل مسأله، ميزبانان بزرگي را براي مدلسازان مولكولي فراهم آورده است. مزيت عمده اين روش در اين است كه با استفاده از محاسبات نسبتاً ساده تعداد حالات مقدور براي حل يك مسألة واقعي را مي‌توانيم كم كنيم، چه در مرحلة طراحي و توليد و چه در مراحل توسعه با اتخاذ روشهاي دقيق و صحيح اعتبار آزمايشات را تأييد كنيم يا آنها را هدايت كنيم. مدلسازي مي‌تواند انتخابها را هدايت كند و حتي در اغلب موارد مي‌تواند راههاي توليد بهتر را جهت آزمايش، شناسائي كند.
در عوض مدل سرويسهاي تكنيكي تهيه شده در قالب مدلسازي مولكولي، زماني كه كاملاً با تيمهاي آزمايشگاهي و توسعة داخلي، مزدوج نشده است، داراي تجارب ناموفقي بوده‌اند. از اين رو مدلسازي مولكولي، مي بايستي در تعامل كامل با پژوهشگران آزمايشگاهي باشد.     5) علم و تكنولوژي گامهاي بلندي را در راستاي همگرائي موفقيت‌آميز برداشته‌اند. سودمندي مهندسي از پيشرفتهاي علمي و نيز تشويق علم به رشد و حركت، از مزاياي مشهود همگرائي علم و مهندسي است. يك مثال برگزيده از اين تعامل در فضاي زمان و مكان، گروههاي كوچك اتمي كه توسط شيمي كوانتوم قابل تفسير بودند از حد اتم هيدروژن و مولکول هيدروژن تا حد دامنه‌هاي چندين اتمي شبيه سازي شده‌اند و پيشرفتهاي عمده‌اي را براي دانشمندان و مهندسان پديد آورده‌اند:

• شبيه سازي مولكولي با استفاده از ديناميك مولكولي نيوتوني و روشهاي كاتوره‌اي مونت كارلوتغييرات سيستم را پيش گوئي كرده است.
• روشهاي شبه تجربي مبتني بر اوربيتال مولكولي رو به رشد نهاده‌اند.
• روشهاي سلسله مراتبي شيمي كوانتوم كه بر آورندة دقت در حوزة زماني است: شامل روشهاي بنيادين گردآوري شده در حوزة « برون يابي» نظير G1/G2/G3 و CBS و روشهاي جايگزيني در حوزة ميدان نظير ONIOM
• تئوري ظرفيت الكتروني كاربردي، در حوزة فيزيك فرموله شده است و به منظور مدلسازي در فيزيك ماده- چگال، بكار گرفته شده است.
• سواي ديناميك مولكولي كه مشخصاً شروع مي شود با فرمول Car-Parrinello در محاسبات DFT در حال پرواز، ساير روشهاي ديناميك مولكولي به سرعت رشد يافته‌اند.
• شبيه سازيهاي آشيانه‌اي و حوزه‌هاي به‌هم پيوسته نظير تئوري ميدان مؤثر يا تئوري "Norskov" تئوريهاي اتمهاي الحاقي يا روشهاي خوشه‌اي، روشهاي اجزاء محدود، ديناميك مولكولي، مكانيك كوانتوم آبراهام وهمكاران، وتئوري Seamless Zooming كه در ژاپن به سرعت رشد يافته‌اند.
• مدلهاي شرايط مرزي تناوبي كه اثرات«دوربرد» را مدلسازي مي‌كنند.
• كلاس عمومي مدلسازي در حوزة Mesoscale كه اغلب با استفاده از معادلات پيوستگي جهت مدلسازي سوپر مولكولي در حوزه‌هاي پيوسته صورت مي‌گيرد

همزمان با توسعة دانش نانو، مدلسازي مولكولي به عنوان ابزاري منحصر به فرد، مورد توجه واقع شد. نانو بر غناي دانش مدلسازي مولكولي افزوده است و آن را به گونه‌اي جدي متحول كرده است. به همين ترتيب، دانش شيمي ژنتيك( جانشاني ژنهاي موجود در ساختار DNA)، نيازمند اين است كه بدانيم چگونه دانش به درون حوزة پروتئين سازي رسوخ مي‌كند؟(جانشاني پروتئين‌هاي موجود وفعال).
مدلسازي همچنين نقش مهمي در رمز گشائي اين پروسه‌ها ايفا مي‌كند واين نكته را كشف خواهد كرد كه چگونه يك رشته از آمينو اسيدها مي‌تواند خودش را در هندسة پروتئين بگونه‌اي آرايش دهد كه رفتار خاصي را موجب شود. علوم كامپيوتر در اين راستا كمكي مؤثر و تحسين برانگيز ايفاء خواهد كرد.     6) مدلسازي مولكولي جهت ادغام و تفسير ابزارهاي تحليلي بكار گرفته خواهد شد. در پاره‌اي موارد، پيش گوئيها داراي حداقل قطعيت نسبت به اندازه‌گيريهاي كالريمتري است. به گونه‌اي كه مؤثراً آنها را عوض مي‌كنند.مدلسازي يك بخش پر اهميت از طيف سنجي نوري NMR و كريستالوگرافي است . نقش هاي آتي را در حوزة تفسير كروماتوگرافي گاز، دايرة رنگي لرزه‌اي و طيف سنج جرمي بازي خواهد كرد.     7) شباهتهائي برجسته‌اي در بخشهاي مختلف صنعتي وجود دارد. مدلسازهاي حلاليت و مخلوط كن‌هاي واقعي و مدلهائي كه بتواند شيمي را در قالب زيست – شيمي به منظور رفتارشناسي بيولوژيك تركيب كند، پايه‌اي براي طراحي داروها هستند. اما همچنين پايه‌اي براي مطالعات شيمي زهرشناسي هستند. با پيش گوئي زهرشناسي شيميايي، مي‌توان اميدوار بود كه توليداتي طراحي خواهد شد كه كارآئي بالاتر با حداقل مخاطره خواهند داشت.     8) نيازهاي عمده و مورد نياز صنعت روشهائي هستند كه بزگتر، بهتر و سريعتر، باشند و در دامنة بزرگي معتبر باشند و مشتمل بر تكتيكهاي چند مقياسي باشند: مدلسازي چند مقياسي بر پاية مدلهائي ساخته مي‌شود كه مبتني بر حدودي در حوزة زمان واندازه هستند نظير محاسبات انرژي Single-Point در حوزة گاز ايده آل(ايزوله شده) در صفر درجة كلوين.مدلسازي در حوزه هاي محدود اغلب با خواص ان در محيطهاي پيوسته بوسيله مكانيك آماري ادغام مي‌شود(نظير ترموشيمي گاز ايده آل)
يك فشار دائمي بر پژوهشگران در راستاي توسعه سريعتر و دقيق تر اين روشها وجود دارد. در انتها، نيز آزمايش كردن اين روشها جهت تعيين اعتبار آنها الزامي است. توجه كنيد كه اساس اين«اعتبار بخشي» بر اين مبنا است كه اعتبار اين روشها را به چه حوزه‌ها و به چه حدهائي مي‌توان تعميم داد. مدلسازي در حوزة نانوساختارها و نانوابزارها: فناوري‌نانو، فناوري در مقياس نانو جهت مواد و پرسه‌هاي مرتبط با آن است . يك اتم نوعي، داراي قطر واندروالسي، معادل چند دهم نانومتر است. بنابراين مولكولها و ماكرومولكولها در ابعاد نانوئي وكوچكتر هستند. همة برهم كنشها وخواص ماكروسكوپيك ريشه در اين مقياس دارند و بوسيلة مكانيك آماري و فيزيك ماده- چگال اين دو فضا به هم مرتبط مي‌شوند. در همان لحظه خواص مكانيكي تحت تأثير ساختار الكتروني، بر هم كنشهاي غير پيوندي، يا مقياسهاي واسطه نظير meso، رفتارهاي سوپر مولكولها، است . هر يك از اين دامنه‌ها داراي تأثير و وزني در مدلسازي مولكولي است ومقدوراتي در جهت پيوند ميان اين فضاهاي كاملاً وابسته به هم، در جهت ساخت پازل ماكروئي، رو به رشد نهاده است.  مدلسازي مولكولي و اثر آن بر صنعت( قابليتها و چالشها):

1. نقش اساسي مدلسازي مولكولي مواد در صنعت، افزايش سرعت توسعه و راهنمائي به سوي آزمايشهاي مؤثر است.
2. احياي پروژه‌هاي مرده، قابل ارزش است:
   نقش مدلسازي مولكولي از منظر سرمايه‌گذاري كاملاً حائز اهميت است ساخت كاتاليست‌هاي همگن، تحليل مكانيزمهاي بر هم كنش يا ساخت پليمرهاي ويژه با كاربري خاص از اثرات مدلسازي مولكولي است.
3. ناتواني در ادغام كامل و به هم وابستة مدلسازي مولكولي با آزمايش، مي‌تواند منجر به تأخير شود.
4. استفاده از قانون « حق مؤلف» جهت مدلسازان مولكولي، پشتوانه‌اي به سوي توسعة اين روشها است.
5. زير ساختهاي محاسباتي، به سمت پروسه‌هاي مناسب و حتي براي اغلب، محاسبات سطح بالا، سوق داده شوند
6. حركت به جلو: مدلسازي مولكولي كليدي است به منظور مدلسازي فناوريهاي حياتي براي آينده.
   براي ابر محاسبات، شبكه سازي سوپر كامپيوترها، ميكرو پردازنده‌هاي Pc، پايه اي مناسب جهت محاسبات موازي هستند. NASA در 1993 براي نخستين بار با استفاده از پردازنده‌هاي مستعمل اقدام به موازي كردن كامپيوتر با استفاده از سيستم عامل LINUX نمود
7. از توسعة نرم افزارها، فقط در راستاي توسعة صنعت داروسازي، مي‌بايستي اجتناب نمود.
8. مدلسازان تكنولوژي محور و تكنولوژيست‌هاي درك كنندة مدلسازي مورد نيازند:
   مدلسازان خاص و عمومي نيازمند به تركيبي از كار كارشناسي محض و قضاوت مهندسي مي‌باشند. اين تركيب ساده‌تر به همگرائي خواهند رسيد و به گونه‌اي است كه نياز به اين تركيب هميشه احساس مي‌شود. اين نياز در يك محيط پژوهشي روشن‌تر مي‌شود بوژه آنكه فشار بازار اقتصادي و رقابت، R&D را وادار به چرخش به اين سمت مي كند. بسياري ار پژوهشگاهها، محيط پژوهشيBell Labs را الگو قرار داده‌اند. اين پژوهشگاه كه در آغاز با هدف علوم كاربردي تأسيس شده بود به تدريج به سمت يك محيط تركيبي از علوم محض و كاربردي سوق پيدا كرد.
   مهم است كه كارشناسان در يك انستيتوي آموزشي تدريس كنند وهمكاريهاي پژوهشي خود را به عنوان بخشي از آموزش علم در نظر بگيرند.

چشم انداز: نتايج مدلسازي مولكولي يا محاسبات، در بخش شيمي تحليلي كاملاً جا افتاده است. مدلسازيهاي چند مقياسي نيز با دقت بالاتر ومحاسبات سنگين تر پيگيري مي شود.
تئوريهاي مولكولي و مدلسازيها، شامل تئوري ساختار الكتروني ومدلسازي به عنوان يك زبان بين‌المللي علمي در اغلب شاخه هاي علوم ومهندسي پذيرفته شده است.
شيمي، فيزيك، بيولوژي بر مبناي مشاهدات، و دستكاريهايي در حوزة انساني، به مدلسازي مولكلوي وابسته شده‌اند. علوم مهندسي اين علوم محض را با يكديگر تركيب كرده و با ملاحظات اقتصادي و مؤلفه هاي كمي فيزيك آن را به حوزة تجارت مي‌رسانند.
فيزيك محيطهاي پيوسته و تفكر عميق در طبيعت رفتاري الكترونها در اتم در سالهاي 1800 ميلادي خبر از توسعة مكانيك آماري و مكانيك محيطهاي پيوسته مي‌داد. ظهور دانش شيمي- فيزيك و اساس ساختارهاي مولكولي دراواخر 1800 ميلادي حاكي از درك پيوندهاي شيميايي مي‌داد كه در نهايت در سالهاي 1930 توسعه يافت و روشهاي شيمي كوانتوم كه در سالهاي 1950 توسعه يافتند.
مدلسازي مولكولي يك روش مركزي است كه با درك رفتار كوانتائي مواد، حتي از ديدگاه پيش‌گوئي به موفقيتهائي رسيده است.
توسعة توليدات و عوض شدن پروسه هاي ساخت وتوليد با ظهور مدلسازي مولكولي واثر آن دستخوش دگرگوني شده است مدلسازي مولكولي مي تواند به عنوان يك زير ساخت نامرئي در توسعة علم و فناوري مورد توجه قرار گيرد.
پيشرفتهائي در قدرت سخت افزاري كامپيوترها، مسبب پيشرفتهائي در نرم افزارهاي شبيه سازي شده است كه تغييراتي رويايي را در مدلسازي پديد آورده است و بسياري از مسائل بغرنج را حل كرده است و حتي در نگرشهاي بنيادين علوم، تغييراتي را بوجود آورده است. آيا دانش هوش مصنوعي دنيا را دگرگون خواهد كرد: ارزش نتايج محاسباتي، سريعاً افزايش خواهد يافت در صورتيكه فوراً گسترش و رشد يابد. اما آنها زماني گرانبها خواهند شد كه معني اين نتايج به سمت مهندسي يا نيازهاي توسعه، هدايت شود.
پيشرفتهائي در قدرت محاسباتي، درك و قابليتهاي ما را در كاربردي كردن فيزيك و شيمي محاسباتي توسعه خواهد داد. همانگونه كه پيشرفتهائي بزرگ در تكنولوژي اغلب منشعب از نتايج و مشاهدات آزمايشگاهي است، مدلسازي مولكولي با افزايش دقت در حل پيچيدگيهاي مدل به گونه‌اي كه منجر به نتايج سودمند كاربردي شود، در رشد تكنولوژي مفيد است. البته نبايد از نظر دور داشت كه 90% مسائل در ذهن ساخته و پرداخته مي‌شود وابزارهاي محاسباتي تنها راهي براي آزمايش، روشهاي مختلف حل هستند.
مدلسازي مؤثر و مديريت نتايج آن، به برداشت كارشناسي و موفقيت آميز از كدهاي مدلسازي مولكولي وابسته است البته، انتخاب روشهاي تئوري بر پاية مجموعة شيمي كوانتوم يا پتانسيلهاي بر هم كنشي ( شبيه سازي مولكولي) حداقل نقش و سطح را در تصميم سازي ايفاد مي كنند.
كدام تركيب براي متعادل كردن زمان و دقت مورد نياز است؟ بهترين تنظيمات براي بهترين نتايج صنعتي كدامند؟
يك Interface مناسب مي‌تواند در خواست‌ها را ارزيابي كند و پيشنهاداتي را در جهت برآورد زمان محاسبات و ساير منابع مورد نياز، به استفاده كننده نشان دهد. همچنين با نشان دادن نتايج وتصوير سازي نتايج محاسبه شده راههائي را براي ارزيابي نشان مي‌دهد.

منبع: سايت نانو