研究多臂DNA纳米星凝胶化的极小粗粒化模型

DNA是一种令人惊叹的材料，可用作分子构建块以纳米级精度构造周期性阵列与器件。本文中，我们提出具有三、四和五臂的DNA纳米星的简单珠-弹簧模型，并利用分子动力学模拟研究其自组装。模拟表明，随温度降低，DNA纳米星从无序液相形成热力学稳定的完全键合凝胶相。我们通过计算径向分布函数与结构因子等若干结构特征来表征该相变。凝胶化的热力学由体系势能和平动对熵量化。从受阻凝胶相到无序液相的相变用两态理论模型描述。我们发现该相变为焓驱动，构型与平动熵的损失由DNA黏性末端的焓相互作用抵消，从而在低温下产生凝胶相。利用两相传热模型测量的体系绝对转动与平动熵也证实了凝胶转变。从高温趋近转变温度时动力学变慢，表明相变至凝胶相。对DNA凝胶化形貌、动力学与热力学的详细数值模拟研究可为未来实验提供指导，易于推广至其他聚合物体系，并在DNA纳米技术领域具有重要意义。