Open AccessContribution to force field modeling and energy minimization of nanostructures
Author(s) -
Σταύρος Χατζηελευθερίου
Publication year - 2021
Language(s) - Uncategorized
Resource type - Dissertations/theses
DOI - 10.12681/eadd/44975
Subject(s) - monte carlo method , energy minimization , statistical physics , force field (fiction) , field (mathematics) , minification , nanostructure , physics , materials science , computer science , nanotechnology , mathematical optimization , mathematics , statistics , quantum mechanics , pure mathematics
H χωρική κλίμακα των νανοδομών είναι της τάξης των 0.1-100 nm και η προσπάθεια είναι αυτή της ερμηνείας και πρόβλεψης της συμπεριφοράς των υλικών αναλύοντας φαινόμενα μικροσκοπικής κλίμακας αλλά και του σχεδιασμού νανοκατασκευών για διάφορες χρήσεις π.χ. νανοκατασκευές DNA. Τα φαινόμενα που διέπουν αυτή την χωρική κλίμακα είναι συνθετότερα αυτών που διέπουν τις συνήθεις κατασκευές. Οι θεωρίες του συνεχούς μέσου συνήθως δεν μπορούν να δώσουν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε αυτή την κλίμακα. Τα φαινόμενα θερμοδυναμικής παίζουν σημαντικό ρόλο και συνήθεις επιστημονικές προσεγγίσεις είναι αυτή της στατιστικής μηχανικής κάνοντας χρήση υπολογιστικών μοντέλων τύπου Monte-Carlo ή μοριακής δυναμικής. Συχνά, σημαντική επιρροή παρουσιάζουν κβαντικά φαινόμενα επομένως απαιτείται και η κβαντομηχανική θεώρηση, η οποία όμως είναι δυσχερής για μεγαλύτερα συστήματα καθώς η επίλυση των κβαντομηχανικών εξισώσεων είναι από δύσκολη ως αδύνατη και υπολογιστικά πολύ επίπονη. Ο συνηθέστερος και πιο αποδοτικός τρόπος είναι η μοντελοποίηση με πεδίο δυνάμεων το οποίο εκφράζει τα πειραματικά ευρήματα ή τις κβαντομηχανικές επιλύσεις σχετικά με την ενεργειακή σύζευξη ομάδων ατόμων μικρότερου αριθμού, υποσυνόλων δηλαδή του υπό εξέταση μοριακού συστήματος. Η Διδακτορική Διατριβή του κου Σταύρου Χατζηελευθερίου διακρίνεται στα εξής στάδια: 1. Συμβολή στην ανάπτυξη μεθόδων ανάλυσης και μοντελοποίησης με πεδίο δυνάμεωννανοδομών εμπνευσμένη από την ανάλυση η οποία ακολουθείται για τις κατασκευές δηλαδή την στατική ανάλυση καθώς και την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Η αναπτυχθείσα μέθοδος αποτελεί ταυτόχρονα ένα προσομοίωμα του εκάστοτε μοριακού συστήματος καθώς και ένα αναλυτικό και γρήγορο υπολογισμό της πρώτης και δεύτερης παραγώγου της δυναμικής ενέργειας του συστήματος. 2. Χρήση της μεθόδου ανάλυσης που αναπτύχθηκε για την εξαγωγή ιδιοτήτωννανοδομών. 3. Η δημιουργία νέας υπολογιστικής πλατφόρμας (η οποία ενσωματώνει την ήδηαναπτυχθείσα αναλυτική μέθοδο υπολογισμού των παραγώγων της ενέργειας) ελαχιστοποίησης της ενέργειας μοριακών συστημάτων. Η τελευταία αποτελεί μια τυπική διαδικασία στις μεθόδους μοριακής προσομοίωσης. 4. Χρήση του νέου αλγορίθμου ελαχιστοποίησης της ενέργειας μοριακών συστημάτων που αναπτύχθηκε για την εξαγωγή καταστατικών νόμων υλικών. Η συμβολή της διδακτορικής διατριβής διακρίνεται σε 3 τομείς: 1) Ανάπτυξη μεθόδου ανάλυσης και μοντελοποίησης νανοδομών και μοριακών συστημάτων μέσω πεδίου δυνάμεων. 2) Υπολογισμός χαρακτηριστικών ιδιοτήτων νανοδομών μέσω αριθμητικής αναλύσεως των προσομοιωμάτων τους. 3) Νέα μέθοδος ελαχιστοποίησης της ενέργειας (SimNano) νανοδομών και μοριακών συστημάτων.