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Coloquio de Superc ´ omputo 2020 ADSORCI ´ ON DE CISTE ´ INA EN NANOPART ´ ICULAS DE ORO, PLATA Y COBRE: UN ENFOQUE COMPUTACIONAL Jorge Fabila ([email protected]) Instituto de F´ ısica - UNAM Introducci ´ on La ciste´ ına ha mostrado interesantes propiedades catal´ ıticas [1] y capacidad para ensamblar nanopart´ ıculas (NPs) de oro [2], aunque la forma en que la ciste´ ına interact ´ ua con los ´ atomos de oro no es del todo conocida, raz´ on por la que se ha vuelto reciente objeto de estudio. El presente trabajo es un intento computacional para entender resultados experimentales [1], en los que se tienen NPs de oro, en ellas, se adsorben mol´ eculas de L-ciste´ ına y D-ciste´ ına, ambas en estado zwitteri ´ onico debido al solvente usado. En este estudio, adem´ as se investiga la adsorci ´ on en NPs de plata y cobre. Encontrar la forma en c´ omo se adsorbe una mol´ ecula en una NP equivale a encontrar el m´ ınimo en la su- perficie de energ´ ıa potencial de dicho sistema. Para ello, se implement ´ o un algoritmo de optimizaci ´ on global basado en b ´ usqueda aleatoria, el cual, genera una diversidad de configuraciones y entre ellas busca el de m´ ınima energ´ ıa. Figura 1: Izquierda: NPs solas. Derecha: NPs con ciste´ ına adsorbida. (TEM). Detalles computacionales El algoritmo de b ´ usqueda est´ a escrito en lenguaje C y Bash (shell script), uti- liza VASP como calculadora Density Functional Theory, en el que se utiliz´ o el algoritmo de Tkatchenko-Schaffer [6] para calcular efectos de dispersi ´ on, pues, de acuerdo con Rosa, et al [7] ´ estos son muy importantes para modelar con precisi ´ on sistemas metal-org´ anicos. Se utilizan los pseudopotenciales PBE pro- vistos por VASP. El algoritmo consiste en colocar la mol´ ecula en orientaciones (´ angulos) aleatorios [Fig. 2] y colocarla en distintos puntos alrededor de la NP [Fig. 3], despu´ es se optimiza la geometr´ ıa de las configuraciones generadas y se busca las de m´ ınima energ´ ıa. Se utiliz ´ o Au 34 , Ag 34 y Cu 34 como modelos de nanopart´ ıculas para los tres metales estudiados. Las coordenadas at ´ omicas uti- lizadas, as´ ı como el c ´ odigo implementado se encuentran disponibles en Github. Figura 2: Izquierda: Rota la mol ´ ecula. Derecha: La desplaza alrededor de la NP. Resultados Se han considerado 3 rot´ ameros de la ciste´ ına, pues se mostr´ o que diferentes rot´ ameros tienen diferentes mecanismos de adsorci´ on [4]. Se le llama P C al rot´ amero que tiene el ´ atomo de azufre en antiposici ´ on con el ´ atomo de carbono, el P H tiene su azufre en antiposici´ on con el hidr´ ogeno y el P N con el nitr ´ ogeno [Fig. 3]. Figura 3: Rot ´ ameros: Izquierda: P C . Centro: P H . Derecha: P N En la figura 4 se pueden observar los m´ ınimos obtenidos para cada rot´ amero en oro, lo mismo para plata en la figura 5 y para cobre en la figura 6. Las coor- denadas at ´ omicas se encuentran en el repositorio Github del presente trabajo. Figura 4: M´ ınimos obtenidos. Au 34 con ciste´ ına P H (Izq), P C (Centro)yP N (Der). Figura 5: M´ ınimos obtenidos. Ag 34 con ciste´ ına P H (Izq), P C (Centro)yP N (Der). Figura 6: M´ ınimos obtenidos. Cu 34 con ciste´ ına P H (Izq), P C (Centro)yP N (Der). Conclusiones Se han obtenido 3 configuraciones candidatas a modelar c ´ omo se adsorbe la ciste´ ına en cada uno de los metales. El siguiente paso es tomar estos modelos (coordenadas at ´ omicas) y realizar simulaciones de espectroscop´ ıa que puedan ser contrastados con los obtenidos experimentalmente y as´ ı discernir cu´ al de los 3 se aproxima mejor a la informaci ´ on experimental. Agradecimentos Los c´ alculos fueron realizados con recursos del proyecto de superc´ omputo Co- nacyt LANCAD-UNAM-DGTIC-307 References [1] Rodr´ ıguez-Zamora, P. et al. (2019), “Revisiting the conformational adsorption of L- and D-cysteine on Au nanoparticles by Raman spectroscopy”. Journal of Raman Spectroscopy, 51,2, 243-255 pp. [2] Mocanu, A. et al, (2009), “Self-assembly characteristics of gold nanoparticles in the presence of cysteine”, Colloids and Surfaces A, 338, 1–3, 93-101 pp. [3] Rosa, Marta et al (2014). “Van der Waals effects at molecule-metal interfaces.” Physical Review B. 90. 10.1103/PhysRevB.90.125448 [4]Yao, G. & Huang, Q. (2018). “DFT and SERS Study of l-Cysteine Adsorption on the Surface of Gold Nanoparticles”, J. Phys. Chem. C, 122, 27, 15241-15251
