Electron channels in biomolecular nanowires
我们报告的第一性原理研究的电子和导电性质的四螺旋鸟嘌呤线（G4线），DNA衍生物，与内部钾离子。的电子结构的分析突出了存在的能量流形，相当于（半）导电材料的频带，并揭示了形成的扩展电子通道可用于沿导线的电荷传输。特定的金属-核碱基相互作用影响费米能级处的电子性质，导致线表现为本质上p掺杂的系统。
2004-01-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Charge Transport in DNA-Based Devices
半个多世纪以来，沿着DNA分子的电荷迁移引起了科学界的兴趣。在过去的十年中，从大量分子的溶液化学实验中获得了关于供体和受体之间通过DNA的可能高速率的电荷转移的报告，引发了一系列通过DNA单分子，束和网络的直接电输运测量。这些测量在这里进行审查和介绍。从这些实验中，我们得出结论，电传输是可行的，在短的DNA分子，束和网络，但在长的单分子连接到表面被阻止。实验背景的补充帐户的理论/计算方案，适用于研究基于DNA的纳米线的电子和输运性质。选定的应用程序的例子，显示当前的理论方法的能力和限制，以准确地描述的电线，解释运输测量，并预测合适的策略，以提高DNA纳米结构的导电性。
2004-04-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Charge transport through bio-molecular wires in a solvent: Bridging molecular dynamics and model Hamiltonian approaches
我们提出了一种基于量子/经典分子动力学（MD）模拟和模型哈密顿方法相结合的混合方法来描述在溶剂存在下通过具有可变长度的生物分子导线的电荷输运。我们的方法的核心包括在生物分子的电子结构的映射，从密度泛函为基础的紧束缚计算分子结构沿MD轨迹，到一个低维模型哈密顿包括耦合到耗散玻色子环境。后者编码由溶剂和分子构象动力学引起的波动效应。我们将这种方法应用于pG-pC和pA-pT DNA低聚物作为典型案例，并表明DNA构象波动对于确定和支持电荷传输至关重要。
2009-01-22 cond-mat.other cond-mat.soft
Influence of transition mutations and disorder on charge localization and transfer along B-DNA sequences
本文利用TB Wire与TB Fishbone Wire模型研究转换突变及π路径、骨架无序对B-DNA电荷局域化和转移的影响，表明二者均会增强局域化并抑制转移。
2025-02-01 cond-mat.soft
Influence of vibrational modes on the electronic properties of DNA
我们研究了电子（空穴）通过短的双链DNA线的传输，其中电子是强耦合到特定的振动模式（振动子）的DNA。我们从DNA的紧束缚模型开始分析这个问题，参数来自从头计算，并通过运动方程技术描述耗散输运。对于均匀的DNA序列，如聚-（鸟嘌呤-胞嘧啶），我们发现运输是准弹道的有效态密度，这是修改的电子-振子耦合。在低温下的线性电导是强烈增强，但以上的“半导体”的差距，它受到的影响要小得多相反，非均匀的（“自然”）序列几乎所有的国家都强烈本地化，和运输是由耗散过程为主。在这种情况下，非局域电子-振子耦合以定性和序列依赖的方式影响电导。
2007-03-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Effects of Quantum Vacuum Fluctuations of the Electric Field on DNA Condensation
通过假设不仅反离子，但DNA分子以及根据玻尔兹曼定律的热分布，我们提出了一个修改的Poisson-Boltzmann方程在经典水平作为出发点计算的量子涨落的电场对DNA-阳离子复合物之间的相互作用的影响。后者在这里被建模为无限一维线（$δ$ -函数）。我们的目标是将这种量子真空驱动的相互作用从反离子诱导的相互作用和水相关的相互作用中挑选出来。我们得到了一个普遍的，挫折免费Casimir样（余维2）的相互作用，广泛的数值分析表明是一个很好的候选人来解释DNA聚集体的形成和稳定性。这样的卡西米尔能量计算的各种配置多达19个DNA链的六边形阵列。发现它是强多体的。
2009-06-22 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.QM
Tight-binding modeling of charge migration in DNA devices
在DNA低聚物和随后测量的长距离电荷转移实验-和非常多样的-在固态实验中的DNA线的传输响应，证明了需要一个彻底的理论理解的电荷迁移在DNA为基础的天然和人工材料。在这里，我们提出了一个审查紧结合模型的DNA传导，具有内在的优点，包含更多的结构信息比平原速率方程模型，同时仍然保留足够的细节的电子性质。这使得模拟的输运性质更易于管理的密度泛函理论方法或相关的第一原理算法。
2007-07-21 cond-mat.soft q-bio.GN q-bio.OT
Electronic properties of DNA: structural and chemical influence on the quest for high conductance and charge transfer
受DNA导电性的广泛实验结果的启发，我们研究了DNA可能成为真正的分子线的特殊构型和化学环境，特别是从增强的电子重叠或从小的活化能。特别是，我们研究了A-与B-DNA，带状结构提出产生的分子拉伸，抗衡离子在空穴掺杂的DNA轨道的潜在作用，骨干传导的可能性，和水的影响。我们发现，在电导率实验中观察到的小激活间隙可能会出现在水和反离子的存在下。利用从头计算密度泛函理论和模型Koster-Slater理论计算进一步讨论了简谐振动和扭转运动对电子紧束缚矩阵元的作用。我们发现，相邻碱基对上Pz轨道的pp-sigma和pp-pi相互作用的部分抵消，以及相位因子的相消干涉，是解释A-DNA弱电导的必要条件。我们的研究结果也导致一个物理解释的角度依赖性的碱基对间紧密结合的矩阵元素。此外，我们估计弗兰克-康登因子，重组能量和核频率的电荷转移率必不可少的，并发现我们估计的碱基对之间的空穴转移率是在最近的皮秒动力学数据非常一致。
2002-08-30 cond-mat.soft q-bio
Unpacking of a crumpled wire from two-dimensional cavities
近年来，人们对金属丝和其他线状材料在空腔中的紧密堆积结构的物理学进行了探索，这些物理学与褶皱系统和许多主题有关，从应用到病毒衣壳中的DNA包装和用导管进行外科干预，到与有限温度下的电子气和二维量子引力理论的类比。当一根长长的金属丝被注入二维空腔时，它会弯曲，并在堵塞的极限处形成一系列封闭的结构，我们称之为环。在这项工作中，我们研究了提取一个皱巴巴的紧密包装的电线从一个圆形的空腔，旨在单独删除循环。测量了每个取出的线圈的尺寸、打开每个线圈所需的最大力值以及取出的导丝的总长度，并将其与指数增长和平均场模型相关，该模型与压皱导丝的文献一致。这个过程的标度律的报告和包装和拆包的电线的过程之间的关系进行了评论。
2017-03-15 cond-mat.soft
Spin-dependent electron transport along hairpin-like DNA molecules
手性诱导的自旋选择性（CISS），在不同的手性分子中被许多实验和理论小组证明，近年来一直吸引着广泛和持续的兴趣。作为DNA的二级结构，DNA发夹结构的电荷转移已经被广泛研究了二十多年，最近的实验发现DNA发夹结构具有自旋相关效应。在这里，我们提出了一个设置，直接证明CISS效应的DNA发夹接触的两个cirrhoids在茎的两端。我们的结果表明，DNA发夹结构具有明显的CISS效应，用导电分子作环可以增强自旋极化。特别是DNA发夹结构显示出一些有趣的特征，这些特征不同于其他手性分子。首先，当电子能量位于茎的左/右电子带时，局域自旋流可以循环流动并聚集成多个涡旋团簇。涡旋团簇的手征性在各个带中是相同的，并且通过将电子能量从左带切换到右带而反转，引起自旋极化的符号反转。有趣的是，局部自旋电流可以大于源极-漏极电流的相应自旋分量。第二，电导和自旋极化都可以随着分子长度以及退相强度而增加，这与当遭受较强散射时分子线的传输能力应该较差的物理直觉相反。第三，我们揭示了有效的电子输运和CISS效应的最佳接触结构，这是彼此不同的，可以控制的退相强度。说明了潜在的物理机制。
2020-08-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Dynamics of DNA-Templated Ultrafine Silver Nanowires Formation
本研究通过光镊和微流控实验及布朗动力学模拟，揭示了DNA模板银纳米线形成的动力学机制，发现银离子压缩DNA结构而还原剂使其松弛，并成功制备了直径约2.2纳米的超细银纳米线。
2025-02-28 cond-mat.soft physics.app-ph physics.atm-clus
First-principles vs. semi-empirical modeling of global and local electronic transport properties of graphene nanopore-based sensors for DNA sequencing
使用第一性原理量子输运模拟，基于非平衡格林函数形式主义结合密度泛函理论（NEGF+DFT），我们研究了总的和局部的电子电流的变化与锯齿形边缘（ZGNR）托管纳米孔的平面内的DNA核碱基插入到孔诱导。我们发现，在将核碱基置于小直径\mbox{$D=1.2$ nm}的纳米孔内的最可能位置（根据分子动力学轨迹）后，两端ZGNR +纳米孔器件的零偏压电导发生了相当大的变化。虽然这种效应随着纳米孔尺寸增加到\mbox{$D=1.7$ nm}而降低，但是ZGNR +纳米孔和ZGNR +纳米孔+核碱基系统中的电流之间的对比度可以通过施加小的偏压$V_b \lesssim 0.1$ V来增强。这在微观上解释为由于DNA核碱基诱导的ZGNR边缘周围的局部电流密度的空间分布的改变。我们使用NEGF结合自洽电荷密度泛函紧束缚（NEGF+SCC-DFTB）或自洽扩展Hückel（NEGF+SC-EH）半经验方法重复相同的分析。我们发现从NEGF+DFT获得的结果与从NEGF+SCC-DFTB或NEGF+SC-EH方法获得的结果之间的巨大差异在选择用于快速DNA测序的最佳纳米电子传感器的{ \em in silico}设计的适当计算算法时可能非常重要。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Efficient Brownian Dynamics Simulation of Single DNA with Hydrodynamic Interactions in Linear Flows
粗粒度分子动力学（MD）或布朗动力学（BD）模拟是一种基于粒子的方法，其已被应用于涉及与周围流体分子的相互作用或所谓的流体动力学相互作用（HI）的广泛的生物问题。本文提出了一种有效的算法来模拟单个DNA分子在线性流中的运动。该算法利用积分因子来处理周围流体线性流动的影响，并应用[N. Bou-Rabee，A. Donev和E. Vanden-Eijnden多尺度模型Simul 12，781（2014）]以实现更有效的BD模拟。因此，我们的方法允许更大的时间步长比以前的方法，同时仍然保持BD模拟的稳定性，这是有利于长时间BD模拟。我们对$λ$ -DNA的数值计算结果与实验数据和以前的模拟结果吻合得很好。最后，当结合快速算法，如快速多极子方法，它具有接近最佳的复杂性，在珠的总数，所得到的方法是并行化的，可扩展到大型系统，并稳定的大时间步长，从而使长时间的大规模BD模拟实际可行。这将是有用的膜，长链分子的研究，并在流体中的大量分子的集合。
2014-11-18 cond-mat.soft
Brownian Dynamics Studies on DNA Gel Electrophoresis. I. Numerical Method and Quasi-Periodic Behavior of Elongation-Contraction Motions
用布朗动力学（BD）模拟方法研究了DNA分子在恒场凝胶电泳（CFGE）过程中的动力学行为。该方法通过硬球的电解质珠链在三维（3D）空间中模拟DNA的电泳。在约束每对粘结珠的间距小于某一固定值的条件下，并考虑排除体积效应，采用拉格朗日乘子法求解了粘结珠的朗之万运动方程。所得的迁移率，$μ$，作为电场的函数，符合令人满意的相应的实验结果，一旦时间，长度和场的模拟是适当的缩放。在相对较强的磁场中，在链动力学中发现了准周期行为，并通过长主轴半径$R_l(t)$的时间演化来检验。发现$R_l(t)$中峰的平均宽度或链的一个伸长-收缩过程的周期与链中珠粒的数目$M$成比例，而对于大的$M$，两个这样的相邻峰之间的平均周期与$M^0$成比例。这些结果，结合观察到的链在每个拉伸-收缩运动中向场方向移动的距离与$M$成比例，产生$μ\propto M^0$。这解释了为什么CFGE不能根据DNA的大小分离大$L$的$L (\propto M)$。
2001-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Controlling polymer translocation and ion transport via charge correlations
我们开发了一个相关校正的传输理论，以预测平均场静电击穿的物理条件下膜纳米孔的离子和聚合物传输特性。实验观察到的低KCl电导率的开放α-溶血素孔的表面极化效应的存在定量解释。当DNA分子渗透到孔中时，这些极化力与DNA的电中性相结合，为离子电流设置了一个下限，解释了稀离子浓度下阻塞孔电导率的弱盐依赖性。向溶液中加入多价反离子导致聚合物电荷的反转和电渗流的方向。对于三价亚精胺或四价精胺分子，电荷反转足够强以阻止聚合物的移位并逆转其运动。这种机制可以有效地用于易位实验，以通过最小化聚合物的易位速度来提高DNA测序的准确性。
2014-10-10 cond-mat.soft
Quasi-periodic and fractal polymers: Energy structure and carrier transfer
我们以B-DNA为原型系统，研究了由$N$单体构成的具有固定边界的非周期聚合物的能量结构和额外电子或空穴的相干转移。我们使用紧束缚线模型，其中一个位点是单体（例如，在DNA中，一个碱基对）。我们考虑准周期（Fibonacci，Thue-Morse，Double-Period，Rudin-Shapiro）和分形（Cantor Set，Asymmetric Cantor Set）聚合物由相同的单体（I聚合物）或由不同的单体（D聚合物）组成。对于所有类型的聚合物，我们计算了HOMO和LUMO本征谱，HOMO-LUMO能隙和态密度。我们检查平均随时间的概率，以找到在每个单体的载流子，载流子转移的频率含量（傅立叶光谱，每个单体的加权平均频率，聚合物的总加权平均频率），和纯平均转移速率$k$。我们的研究结果表明，有一个对应的结构复杂度和传输性能。I聚合物比D聚合物更有利于电荷转移。我们比较了准周期和分形序列的$k(N)$与周期序列（包括均聚物）以及随机混洗序列。最后，我们讨论了我们的相干纯平均转移率在DNA中的电荷转移率的实验结果方面。
2019-03-11 cond-mat.soft
Nucleoid clustering drives stepwise expansion and segregation of replicating bacterial chromosomes
SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh（爱丁堡大学物理与天文学学院）；Dipartimento di Fisica e Astronomia and Sezione INFN, Universitá di Padova（帕多瓦大学物理与天文学系及INFN分部）
研究通过三维聚合模型揭示复制驱动的动力学与核区关联蛋白相互作用如何塑造染色体空间时间组织，发现动态聚类和复制相互作用共同产生逐步扩展和分离动态。
2026-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Periodic, quasi-periodic, fractal, Kolakoski and random binary polymers: Energy structure and carrier transport
我们使用紧束缚线模型研究了周期、准周期（Thue-Morse、Fibonacci、倍周期、Rudin-Shapiro）、分形（Cantor、广义Cantor）、Kolakoski和随机二元序列，其中一个位点是单体（例如，在DNA中，一个碱基对）。我们使用B-DNA作为我们的原型系统。所有序列在同一条链上具有嘌呤、鸟嘌呤（G）或腺嘌呤（A），即，我们的原型二进制字母表是（G，A）。我们的目的是研究序列的复杂性和能量结构，本地化和电荷输运的参数的大小的影响。我们研究的数量，如自相关函数，本征谱，态密度，李雅普诺夫指数，传输系数和电流-电压曲线。我们表明，序列的复杂程度和相关性的存在决定性地影响上述物理性质。周期段具有增强的传输特性。具体而言，在同质序列中，转运效率最大。有几种确定性的非周期序列可以支持显著的电流，这取决于引线的费米能级。随机序列是效率较低的类别。
2019-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Directional self-propelled transport of coalesced droplets on a superhydrophilic cylindrical wire
在平坦表面上聚结的液滴倾向于以较小的液滴迁移到较大的液滴中结束。我们报告了一个反直觉的液滴聚结模式的超亲水性圆柱形线，其中较大的液滴被拉向较小的。因此，组合质量的中心显著地朝向（通常超过）较小液滴的原始位置移动。这种现象的发生主要是因为液滴在圆柱形金属丝上经历的粘性摩擦与液滴的尺寸不呈正相关，这与液滴在平坦表面上聚结不同。我们进行了基于质量弹簧阻尼器（MSD）模型的尺寸分析。我们的模型预测了各种聚结模式作为液滴大小之间的比例的函数，预测与实验观察相匹配。
2022-11-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Carrier-Phonon Scattering Rate and Charge Transport in Spherical and TMV Viruses
本文研究了球形病毒和TMV病毒中的载流子-声子散射。从理论上证明了球形病毒和TMV病毒的吸收率随声子能量的变化而变化，而声子的发射受空穴能量的限制。然后使用所获得的弛豫速率来计算病毒的电导率和迁移率。球形和TMV病毒获得的导电性表明，TMV病毒是更导电的，因此可能是一个很好的候选人的连接器或导线中使用的纳米电子学。对TMV病毒获得的抗性值低于早先报道的DNA抗性。
2009-04-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
