о поперечной проводимости гуанина

О ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ГУАНИНА
А.В. Кацур1, А.А. Клецов1,2, А.И. Михайлов1, Е.Г. Глуховской1,2
1. Саратовский Государственный Университет, Саратов, Россия.
2. ОНИ наноструктур и биосистем, Саратов
e-mail: [email protected]
Насущной проблемой человечества до сих пор остается задача
расшифровки ДНК. Для решения этой задачи необходимо знать
проводимость одиночных нуклеотидов ДНК (в поперечном направлении к
оси двойной спирали). Это остается мало изученным явлением, в
частности, отсутствует точная теоретическая модель молекулярной
проводимости единичного нуклеотида.
В данной работе мы предлагаем модель проводимости одиночного
нуклеотида
на основе теории электронного пропагатора (теории
неравновесных функций Грина-Келдыша) [1,2], в которой проводимость
рассчитывается по следующей формуле:
2e 2
g ( ) 

h k
ak2 1 2c122 (k )
, (1)
ak2
2
2
(   k )  (c11 (k ) 1  c22 (k ) 2 )
4
где ω – энергия электрона, инжектируемого из электрода в молекулу; h постоянная Планка; e – заряд электрона; k – порядковый номер
соответствующей орбитали Дайсона; εk и ak – собственная энергия
(энергия связи электрона) и амплитуда Фейнмана-Дайсона k-ой орбитали
Дайсона; γ1 и γ2 - константы связи, показывающие перекрывание атомных
орбиталей конечных атомов молекулы и терминальных атомов левого и
правого электродов, соответственно; c11, c22 и c12 – взносы k-ой орбитали
Дайсона в общую молекулярную проводимость через левый, правый и оба
электрода, соответственно (они определяются интегралами перекрытия
соответствующих атомных орбиталей). Данные параметры (кроме энергии
электрона, ω) являются выходными данными квантово-химических
расчетов
соответствующей молекулярной системы (получаемых,
например, с помощью программы GAUSSIAN).
Модельная система
представляет собой молекулу гуанина,
помещенную
между атомами серебра, моделирующими электроды
(энергия Ферми серебра, εF = -5.5 эВ). Предварительная оптимизация
молекулы проводилась в программе GAUSSIAN методом Хартри-ФокаРутаана с использованием базиса CEP-4g (с effective core potential).
Параметры для модели проводимости (энергии орбиталей Дайсона и т.д.)
рассчитаны в программе GAUSSIAN методом OVGF.
Для
анализа
проводимости
к
нуклеотиду
прикладывалось
электрическое поле (вдоль оси молекулы). Моделирование показало, что
1
проводимость гуанина - “дырочного” типа, т.е. определяется транспортом
электронов через наивысшую заполненную молекулярную орбиталь,
HOMO (с незначительным дополнением от HOMO-1), поскольку энергии
только этих орбиталей оказываются в непосредственной близи от уровня
Ферми одного из электродов. Это определило применение формулы (1)
для проводимости только к HOMO и HOMO-1. Полученная величина
проводимости (при значении констант связи, γ1 и γ2, 1 эВ) имеет порядок
десятка наносименсов, g(-5.5) ~ 10-8 Ω-1.
Также в данной работе рассмотрено влияние электрического поля на
НОМО (Рис. 1-6).
Рис.1. Гуанин 0.1 вольт, альфа HOMO
Рис.3. Гуанин 0.2 вольт, альфа HOMO
Рис.2. Гуанин 0.1 вольт, бета HOMO
Рис.4. Гуанин 0.2 вольт, бета HOMO
2
Рис.5. Гуанин 0.3 вольт, альфа HOMO
Рис.6. Гуанин 0.3 вольт, бета HOMO
Поскольку при увеличении напряжения
площадь, охваченная
молекулярными орбиталями альфа HOMO (HOMO для электронов со
спином “вверх”), и бета HOMO (HOMO для электронов со спином “вниз”)
остается неизменной, то можно сделать вывод, что в молекуле гуанина с
ростом напряжения до 0.3 вольт не происходит увеличения пределов
беспрепятственного распространения электронов по межатомным
перекрытиям.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-07-00255.
Список литературы
1. Yu. Dahnovsky, V. G. Zakrzewski, A. Kletsov, and J. V. Ortiz, Ab initio
electron propagator theory of molecular wires: I. Formalism, Journal of
Chemical Physics,123, p. 184711, 2005
2. A. Kletsov, Ab initio electron transfer rate and molecular junction
conductance computation scheme based on Dyson molecular orbitals
formalism and electron propagator theory, submitted to Physical Review B.
Сведения об авторах:
Анастасия Владиславовна Кацур (специалист)
Алексей Александрович Клецов (с.н.с., к.ф.-м.н., PhD),
Александр Иванович Михайлов (профессор, д.ф.-м.н., профессор),
Евгений Геннадьевич Глуховской (доцент, д.ф.-м.н.),
3