Theoretische Beschreibung der elektrischen Detektierung von DNA-Nukleotiden in Graphen/h-BN-Heterostrukturen unter Verwendung von Hochleistungs-Quantenchemie-Methoden in Zusammenarbeit mit der KNTU Teheran

Wir untersuchen die Strukturen und die elektronischen Eigenschaften von Graphen-Bornitrid-Nanoporen und die Änderung dieser Eigenschaften beim Hindurchziehen eines DNA-Nukleotids. Wir verwenden dabei quantenchemische Methoden. Mit diesen Methoden lassen sich die Vorgänge in einem Nanosystem simulieren, also die zeitliche Entwicklung auf Grundlage einer physikalischen Gleichung berechnen. Die relevanten Gleichungen sind dabei die Schrödingergleichung für die Elektronen und die Newtongleichung für die Kerne. Während die Newtongleichung hinreichend leicht näherungsweise zu lösen ist, wenn man einen Zeitschritt einführt, sind für die Schrödingergleichung weitere Näherungen notwendig. Die wohl bekannteste ist die Dichtefunktionalnäherung, die in Kombination mit moderneren Weiterentwicklungen annähernd chemische Genauigkeit erreicht. Ein leistungsfähiges Instrumentarium steht uns damit zur Verfügung, beschränkt ist jedoch alles durch den Rechenzeitaufwand. Moleküle schwingen auf der Femtosekundenzeitskala, also muss der Zeitschritt entsprechend gewählt werden. Selbst sehr lange Simulationen reichen damit nicht über die Nanosekundenzeitskala hinaus. Die ständig zunehmende Verfügbarkeit von Rechenzeit eröffnet die Möglichkeit immer größerer Simulationen. Wir kommen also in den Bereich, wo es machbar wird, komplexe Nanosysteme in ihrer zeitlichen Entwicklung zu beobachten. Im vorliegenden Projekt wenden wir die Methodik auf die Bewegung eines Nukleotids durch eine Nanopore an, mit dem Ziel ein Nanowerkzeug zur DNA-Sequenzierung zu modellieren. Die iranische Seite arbeitet schon länger an der Modellierung von Nanowerkzeugen, während die deutsche Seite die Methodik und die Rechenzeit beisteuern kann.