Simulações de transporte eletrônico em grafeno utilizando métodos híbridos QM/MM: aplicações no sequenciamento de DNA e detecção de proteínas

Resumo

A miniaturização de dispositivos eletrônicos, ao mesmo tempo que introduz a perspectiva de novas tecnologias leva também a questões importantes do ponto de vista da ciência básica. Na escala nanoscópica estes dispositivos se comportam de maneira fundamentalmente diferente e necessitam ser profundamente estudados tanto experimental quanto teoricamente. Do ponto de vista do transporte eletrônico, os mecanismos nestas escalas devem ser descritos de maneira quântica, o que aumenta a complexidade, mas ao mesmo tempo, também aumenta a gama de fenômenos a serem explorados. O conhecimento destes mecanismos pode levar a dispositivos com aplicações que vão da eletrônica à biologia. O presente projeto visa estudar, via simulações computacionais, as propriedades eletrônicas e de transporte de sistemas nanoestruturados baseados em grafeno com aplicações exatamente em biotecnologia. Em particular iremos simular um dispositivo para sequenciamento de DNA baseado em nanoporos em grafeno, e biosensores de proteínas utilizando grafeno funcionalizado. Em todos os casos tanto a estrutura completa da biomoléculas quanto o solvente serão levados em consideração. Desta maneira todos os efeitos que podem influenciar no funcionamento de um possível dispositivo serão incluidos. Isto significa que iremos simular de maneira atomística as propriedades de transporte de sistemas contendo dezenas de milhares de átomos.Com a finalidade de obter tal feito iremos combinar metodologias de dinâmica clássica e métodos ab initio (no que se convem chamar de QM/MM). Com isso é possível obter a estrutura eletrônica do grafeno e de parte da molécula biológica de interesse - a região ativa - levando em consideração os efeitos dinâmicos do sistema, do solvente e conta íons sempre presentes. Em seguida uniremos este ferramental à teoria de funções de Green fora do equilíbrio, que permite a determinação das propriedades de transporte eletrônico de sistemas sob efeito de um potencial externo. Assim sendo este projeto combina o desenvolvimento de ferramentas de transporte eletrônico, questões aplicadas ligadas ao desenvolvimento de dispositivos nanoscópicos e questões de ciência básica associadas aos efeitos dinâmicos de solventes em sistemas na escala nanoscópica sob o guarda-chuva de uma proposta baseada em desenvolver e simular dispositivos para detecção de biomoléculas utilizando grafeno com uma metodologia comum. (AU)