Eine theoretische Studie über die Wechselwirkung von aromatischen Aminosäuren mit Graphen und einkanaligen Kohlenstoffnanoröhren

In dieser Studie haben wir die Wechselwirkung von Phenylalanin (Phe), Histidin (His), Tyrosin (Tyr) und Tryptophan (Tryp) Molekülen mit Graphen und einkanaligen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) untersucht, um den Einfluss der Krümmung auf die nicht-kovalente Wechselwirkung zu verstehen. Die Berechnungen wurden unter Verwendung der Dichtematrixtheorie und der Moller-Plesset Störungstheorie zweiter Ordnung (MP2) im Rahmen des Ansatzes der linearen Kombination atomarer Außenzustände-Molekülorbitale (LCAO-MO) durchgeführt. Mit diesen Methoden wurden die Gleichgewichtsgeometrien dieser Komplexe als sehr ähnlich befunden, d.h. die aromatischen Ringe der Aminosäuren ziehen es vor, parallel zur Ebene der Substrate auszurichten, was das Zeichen schwacher pi-pi Wechselwirkungen trägt. Die Bindungsstärke folgt dem Trend: His<Phe<Tyr<Tryp. Obwohl der qualitative Trend der Bindungsenergie zwischen der planaren Graphen- und der gerollten Nanoröhrenstruktur fast ähnlich ist, unterscheiden sie sich in Bezug auf die absolute Größe. Für die Nanoröhre wurde festgestellt, dass die Bindungsstärke dieser Moleküle schwächer ist als die des Graphenblattes. Um Einblicke in die Natur dieser Wechselwirkungen zu gewinnen, haben wir die Polarisierbarkeit der aromatischen Motive der Aminosäuren berechnet. Bemerkenswerterweise finden wir eine ausgezeichnete Korrelation zwischen der Polarisierbarkeit und der Stärke der Wechselwirkung; je höher die Polarisierbarkeit, desto größer ist die Bindungsstärke. Darüber hinaus haben wir das elektronische Dichtezustands-Spektrum vor und nach der Adsorption der Aminosäure-Einheiten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Fermi-Niveau des freien CNT durch die Adsorption der Aminosäuren rot verschoben wird und der Grad der Verschiebung mit dem Trend in der Polarisierbarkeit dieser Moleküle übereinstimmt.