Estudo das interações eletrostáticas em superfícies e macromoléculas por meio de simulações de Monte Carlo - Caetano, Daniel Lucas Zago [UNESP] (2017)
Este trabalho tem por objetivo estudar, por meio de simulações computacionais baseadas no método de Monte Carlo, interações eletrostáticas em superfícies e macromoléculas. Na primeira parte deste estudo é abordada a interação entre polieletrólitos, mais especificamente, homopolímeros e copolímeros em bloco suscetíveis à variações de pH, e macromoléculas com distribuição helicoidal de carga compatível com a encontrada em polinucleotídeos. A macromolécula foi representada por um cilindro rígido infinito que simula a parte central do DNA/RNA, totalmente inacessível ao polieletrólito. Visando simular os sulcos do DNA, duas esferas completam o modelo: uma localizada na posição dos grupos fosfato (esfera externa) e outra localizada entre a esfera externa e o cilindro (esfera interna). A distribuição de carga da macromolécula é dada por um conjunto de cargas negativas monovalentes centradas nas esferas externas. O polieletrólito foi representado por uma cadeia de N esferas rígidas carregadas, conectadas por um potencial harmônico e com um valor de pKa específico. A solução eletrolítica foi tratada pela teoria de Debye-Hückel. Os efeitos do pH, da concentração de sal, da estrutura primária e da rigidez da cadeia polimérica e da distribuição de carga da macromolécula sobre as propriedades conformacionais e físico-químicas da cadeia adsorvida foram calculados. Verificou-se que a presença da macromolécula modifica as propriedades ácido/base do polieletrólito e que o efeito de regulação de carga afeta o processo de adsorção/dessorção. Além disso, constatou-se uma dependência entre as conformações adotadas pelo polieletrólito na superfície da macromolécula e a concentração de sal da solução. Na segunda parte deste trabalho é investigada a influência das interações de hidratação sobre a capacitância diferencial da dupla camada elétrica por meio de simulações de Monte Carlo e por modelos teóricos baseados na aproximação de Campo Médio. Um eletrodo plano e carregado foi inserido em uma solução eletrolítica constituída por íons monovalentes e com concentração próxima às condições fisiológicas. As interações de hidratação foram descritas por meio de potenciais de Yukawa, as quais foram adicionadas às interações de Coulomb e de volume excluído entre os íons e entre os íons e o eletrodo. O modelo de Campo Médio proposto não só inclui interações de hidratação aos pares ânion-ânion, ânion-cátion e cátion-cátion de intensidades arbitrárias, mas também leva em consideração o tamanho finito dos íons por meio de duas abordagens distintas: i) equação de estado de Carnahan-Starling; e ii) modelo de rede. A capacitância diferencial obtida não só pelas simulações de Monte Carlo, mas também pelas aproximações de Campo Médio, apresenta o característico pico duplo, usualmente denominado de camel-shape, no qual seu decaimento reflete o empacotamento dos contraíons nas proximidades do eletrodo. Verificou-se também que a presença das interações de hidratação entre os íons e entre o eletrodo e os íons promove o surgimento de uma pequena região de depleção de carga nas proximidades do eletrodo, similar à camada de Stern.