Computational analysis on physical properties of materials
Authors: Νικούλης Γεώργιος 
Published: November 2022

Το επίκεντρο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και παρουσίαση του επιστημονικού λογισμικού NanoMaterialsCAD το οποίο σχεδίασα και προγραμμάτισα για αυτή τη διατριβή. Η κύρια λειτουργία του λογισμικού είναι να δημιουργεί και να χειρίζεται κρυσταλλικές δομές όπως νανοσωματίδια, δισδιάστατα υλικά, σημειακά ελαττώματα, τυχαιοποιημένες δομές και άλλα. Επιπλέον, υπερέχει στη δημιουργία μεγάλου όγκου δεδομένων για την περαιτέρω χρήση τους σε διαδικασίες μηχανικής μάθησης. Ο κώδικας είναι ανοιχτού τύπου με άδεια AGPL 2.0, γραμμένος σε C++ και OpenGL. Οι δομές προορίζονται για χρήση σε μοριακή δυναμική και υπολογισμούς πρώτων αρχών. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε το NanoMaterialsCAD και αναλύουμε λεπτομερώς τις λειτουργίες του. Παρουσιάζουμε επίσης τέσσερις μελέτες από διαφορετικούς τομείς της επιστήμης στις οποίες χρησιμοποιήσαμε αυτό το λογισμικό για να προετοιμάσουμε τις προσομοιώσεις μας, κάτι που δείχνει την ποικιλία της χρησιμότητας του προγράμματος. Τα τέσσερα έργα συγκεκριμένα είναι α) μεταφορά φορτίου νανοσωματιδίων Pd σε υπόστρωμα Mg και MgO, β) παραμετροποίηση δυναμικού μηχανικής εκμάθησης για τυχαίο κράμα W-Mo, γ) διαχείριση θερμότητας χρησιμοποιώντας 2D νανοπορώδες MoS2 και, δ) φαρμακευτικά νανοσωματίδια σιλδεναφίλης με χρήση σταθεροποιητές πολυμερών. Η πρώτη μελέτη είναι ένα έργο για ηλεκτροκαταλυτικά νανοσωματίδια Pd, στο οποίο μελετήσαμε τις δυνατότητες ηλεκτροκατάλυσης μέσω προσομοιώσεων μεταφοράς φορτίου. Το σύστημα συμπεριφέρεται ως ηλεκτρόδιο μεμονωμένου νανοσωματιδίου, ένα state-of-the-art έργο και μια ολοκληρωμένη μελέτη για ηλεκτροκατάλυση με απομονωμένα νανοσωματίδια. Επιπλέον, μελετήσαμε τις επιδράσεις της οξείδωσης στην απενεργοποίηση των θέσεων ηλεκτροκατάλυσης. Για το δεύτερο έργο, εκπαιδεύσαμε ένα δυναμικό μηχανικής εκμάθησης για κράμα τυχαίων θέσεων W-Mo, εξερευνήσαμε τις επιπτώσεις του κράματος στην ενέργεια μετατόπισης των ατόμων, επικυρώσαμε την σωστή λειτουργία του δυναμικού και δοκιμάσαμε τη δυνατότητα μεταφοράς του σε διάφορους κρυστάλλους W-Mo. Μεταξύ άλλων, εξηγούμε τη διαδικασία προετοιμασίας και επιλογής κατάλληλης βάσης δεδομένων για την εκμάθηση του δυναμικού. Για το τρίτο έργο, μελετήσαμε τις επιπτώσεις του νανοπορώδους MoS2 στη μεταφορά θερμότητας εντός επιπέδου. Χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη ιόντων δημιουργήσαμε περιοδικές οπές σε λεπτή μεμβράνη MoS2 και κατασκευάσαμε συσκευές θερμικής διαχείρισης με σκοπό την θερμική μόνωση και την καθοδήγησης θερμότητας μέσω μοτίβων. Για την τέταρτη και τελευταία μελέτη, προσομοιώσαμε την ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ τριών πολυμερών-σταθεροποιητών και διαφόρων επιφανειών της σιλδεναφίλης. Με αυτόν τον τρόπο, εντοπίσαμε τον καταλληλότερο υποψήφιο για σταθεροποιητή για την αποφυγή συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων σιλδεναφίλης. Αυτό το φαρμακευτικό προϊόν θα επιτρέψει τον αυξημένο ρυθμό απορρόφησης, την αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα και ως εκ τούτου, καθιστά το προϊόν διαθέσιμο για πληθυσμό με ηπατική δυσλειτουργία, για τον οποίον διαφορετικά θα απαγορευόταν η χρήση της σιλδεναφίλης. Για αυτά τα έργα προσομοιώσαμε τις δομές χρησιμοποιώντας την συναρτησιακή θεωρία πυκνότητας και την κλασική μοριακή δυναμική. Πριν παρουσιάσουμε το κύριο έργο αυτής της διατριβής, πρώτα θα αναφέρουμε τις υπολογιστικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και θα συμπεριλάβουμε μια σύντομη εισαγωγή στη μοντελοποίηση των νανοσωματιδίων.