Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η πειραματική και θεωρητική ανάλυση με τη χρήση Μοριακής Δυναμικής του μηχανισμού φωτοαποδόμησης μεταλλικών υλικών που προκαλείται από την επίδραση ακτίνων Laser. Η τεχνολογία των μικρο-κατεργασιών με Laser είναι μια νέα τεχνολογία που επιτρέπει τη δημιουργία εξαρτημάτων σε κλίματα μικρομέτρου. Για την υλοποίηση των μικρο-κατεργασιών με Laser χρησιμοποιούνται συστήματα Laser υπερβραχέων παλμών. Φωτοαποδόμηση είναι η διαδικασία αφαίρεσης υλικού, που ακολουθεί την εφαρμογή δέσμης Laser σε αυτό και ουσιαστικά αποτελεί συνδυασμό εξάχνωσης, εξάτμισης και τήξης. Χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μικρά χρονικά και χωρικά μεγέθη, καθώς και από ακραίες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης. Η Μοριακή Δυναμική (ΜΔ) είναι μια αιτιοκρατική μέθοδος προσομοίωσης. Βασίζεται στην επίλυση του δευτέρου νόμου του Νεύτωνα με σκοπό την παρακολούθηση της κίνησης κάθε σωματιδίου σε ένα σύστημα. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ΜΔ ικανών να προβλέψουν τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας όπως είναι η κρυσταλλική δομή του υλικού πριν την επίδραση της δέσμης Laser, την χρονική και χωρική κατανομή των φωτονίων που μεταφέρονται από τη δέσμη Laser και τη συμπεριφορά των ακτινοβολούμενων σωματιδίων. Τα μοντέλα αυτά συνδυαζόμενα επιτρέπουν τον προσδιορισμό του βάθους φωτοαποδόμησης που προκαλείται σε ένα μεταλλικό υλικό, το οποίο έχει υποστεί ακτινοβολία με υπερβραχείς παλμούς Laser, το παραγόμενο θερμοκρασιακό πεδίο, καθώς και τη χρονική εξέλιξη της θερμοκρασιακής κατανομής. Μετά την πειραματική επιβεβαίωση των θεωρητικών αποτελεσμάτων και της μεθόδου ΜΔ αναλύονται οι μηχανισμοί που οδηγούν στην φωτοαποδόμηση των μεταλλικών υλικών. Ο υπολογιστικός κώδικας παράλληλης επεξεργασίας που αναπτύχθηκε βασίσθηκε πλήρως στη δομή της μεθοδολογίας. Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι το βάθος φωτοαποδόμησης καθώς και ο μηχανισμός αυτής εξαρτώνται κυρίως από την πυκνότητα ενέργειας του υπερβραχέου παλμού (J/cm2) που επιδρά στο μεταλλικό υλικό. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας μπορούν να προβλεφθούν και να χρησιμοποιηθούν για τον αποδοτικότερο προγραμματισμό της. / The objective of the present thesis is the experimental and theoretical investigation, using Molecular Dynamics, of the mechanisms leading to ablation of metallic materials due to Laser radiation. Laser micro machining is an emerging technology capable of producing parts in the micro and submicron scale. For such application Lasers with pulse duration in the femptosecond range are widely used. A phenomenon called “Laser ablation” is involved in the Laser micromachining. Laser Ablation is the process of material removal after the irradiation of a Laser beam onto the material and causes a combination of sublimation, vaporization and melting. It is commonly characterized by small temporal and spatial scales and extremely high material temperature and pressure. Molecular Dynamics (MD) is a deterministic simulation method. It is based on the solution of Newton’s second law and aims on the monitoring of the movements of an atom within a system. The present work has employed MD models for describing the characteristics and output of the process, i.e. the crystal structure of the metallic material prior to Laser irradiation, the temporal and spatial distribution of the photons produced by the Laser beam and the behavior of the material particles after irradiation. These models when coupled allow the estimation of the ablation depth caused in a metallic material when irradiated with femptosecond Laser pulses, produced temperatures field and the temporal evolution of temperature within the material. Experimental results affirm theoretical MD results and drive to the illustration of the ablation mechanisms. The computational code developed uses parallel processing techniques and is based on the structure of the developed methodology. The main conclusion of this work is that the ablation depth, as well as its mechanisms, are strongly depended to the Laser fluence (J/cm2) of the femptosecond pulse. Process characteristics can be predicted and used for a more efficient process programming.

- / -

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η μελέτη των μη θερμικών αποτελεσμάτων της ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ακτινοβολίας στη δομή των βιομορίων χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με το πακέτο λογισμικού GROMACS. Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών παρουσιάζονται στα κεφάλαια 2,3,4 και όλα αντιστοιχούν σε δημοσιεύσεις σε περιοδικά με κριτές με το τελευταίο να έχει γίνει μόλις πρόσφατα δεκτό στο Electromagnetic Biology and Medicine. Το κεφάλαιο 1 αποτελεί μια μικρή εισαγωγή στις αλληλεπιδράσεις ΗΜ πεδίων και έμβιας ύλης. Τα Κεφάλαια 2,3 αφορούν ένα συνθετικό πεπτίδιο, την chignolin, που αντιπροσωπεύει ένα μικρό μοντέλο πρωτεΐνης που οφείλει την σταθερότητα της δομής του στου δεσμούς υδρογόνου. Εξαρχής οι δεσμοί υδρογόνου αποτέλεσαν πιθανούς στόχους των ΗΜ αλληλεπιδράσεων στα βιομόρια λόγω της μικρής τους ισχύος αφού από τη φύση τους κατατάσσονται στις αλληλεπιδράσεις μακράς εμβέλειας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι δομικές αλλαγές που σχετίζονται με διάσπαση αυτών των δεσμών απαιτούν τρομακτικά ισχυρά πεδία της τάξης των 1V/nm που δεν απαντώνται στην καθημερινότητα. Αντίθετα το Κεφάλαιο 4 ασχολείται (για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία των MD προσομοιώσεων σε βιομόρια), με τις αλληλεπιδράσεις πιο ρεαλιστικών ηλεκτρικών πεδίων της τάξης των 1000V/m με το σύστημα ιοντικό διάλυμα–βιομόριο και βασίζεται στην υπόθεση ότι τα ηλεκτρικά πεδία επηρεάζουν εύκολα τα ευκίνητα ιόντα και αυτά με τη σειρά τους την δομή των πρωτεϊνών. Ως βιομόριο επελέχθη η τριαλανίνη κυρίως λόγω των προυπαρχουσών μελετών της δομής της. Αναπάντεχα βρέθηκαν ισχυρές δομικές αλλαγές παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου στην περίπτωση του υπερκορεσμένου διαλύματος NaF μεταξύ των κρυστάλλων NaF και του πεπτιδίου. Το εύρημα αυτό ήδη προσανατολίζει την πορεία των επόμενων μελετών μιας και πολλές παθολογίες όπως η ποδάγρα σχετίζονται με το σχηματισμό κρυσταλλικών δομών στο ανθρώπινο σώμα. / This study focuses on the non-thermal effects of electromagnetic (EM) radiation on the structure of biomolecules using molecular dynamics simulations with the software package GROMACS. Simulation results are presented in Chapters 2,3,4 and they have already been published in refereed journals with the last one recently accepted in “Electromagnetic Biology and Medicine”. Chapter 1 is a brief introduction of EM interaction with living matter. Chapters 2,3 are about chignolin, a synthetic peptide resembling a small model stable protein due to its hydrogen bonds. Initially, long-range interactions such as hydrogen bonds were potential targets of EM interactions in biomolecules. The results suggest that conformational changes associated with these destructions require tremendously strong fields of the order of 1V/nm not encountered in daily life. On the contrary, Chapter 4 deals (for the first time in the literature of MD simulations with biomolecules), with more realistic electric fields around 1000 V/m in the system biomolecule-ionic solution. The hypothesis tested was that electric fields easily affect flexible ions and then these ions induce structural changes to the proteins. To this end, trialanini was chosen a a model biomolecule, primarily due to the extensive prior knowledge of its structure. Surprisingly, strong structural changes in the presence of an external electric field were found in the case of supersaturated NaF solution between the NaF crystals and the peptide. These findings orient the course of subsequent studies because it is well known that many pathologies such as gout are associated with the formation of crystalline structures in the human body.

- / -

Η πρωτείνη MuSK (Muscle Specific Kinase) αποτελεί μέρος ενός συμπλόκου υποδοχέων της αγκρίνης (agrin) οι οποίοι διεγείρουν την φωσφορυλίωση της τυροσίνης και οδηγούν στην ομαδοποίηση των υποδοχέων ακετυλοχολίνης (AChRs) στην μετασυναπτική μεμβράνη της νευρομυϊκής σύναψης των σπονδυλωτών οργανισμών. Μεταλλάξεις της MuSK είναι υπεύθυνες για ασθένειες και δυσλειτουργίες της νευρομυϊκής σύναψης, όπως το εκ γενετής μυασθενικό σύνδρομο. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον για την πρωτεΐνη MuSK έχει αυξηθεί, αλλά παρόλα αυτά δεν έχουν αποδειχθεί πλήρως, ούτε ο ρόλος της, ούτε η λειτουργία της ,ούτε η δομής της. Χρησιμοποιώντας τεχνικές μοντελοποίησης μέσω ομολογίας και χρησιμοποιώντας ως εκμαγεία γνωστές κρυσταλλογραφικές δομές, δημιουργήθηκε το υπολογιστικό μοντέλο της ανθρώπινης MuSK. Για την μελέτη της συμπεριφοράς της πρωτεΐνης πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής σε υδατικό περιβάλλον όπου εξήχθησαν συμπεράσματα για τον προσανατολισμό της δομής, τις αλληλεπιδράσεις των τμημάτων της και την συνολική συμπεριφορά του μορίου. / The protein MuSK (Muscle specific Kinase) is part of an agrin receptor complex which stimulates tyrosine phosphorylation and lead to the clustering of acetylcholine receptors (AChRs) in the postsynaptic membrane of the neuromuscular junction of vertebrate organisms. MuSK mutations are responsible for diseases and disorders of the neuromuscular junction, such as congenital myasthenic syndrome. In recent years interest over MuSK protein has increased, but till now neither the role nor function, nor the structure of the protein have been fully demonstrated. Using homology modeling techniques and based on templates of known crystallographic structures, we have generated in silico the model of human MuSK. To study the behavior of the protein we used molecular dynamics simulations carried out in an aqueous environment where conclusions were reached on the orientation of the structure, interactions between the domains of the protein and the overall behavior of the molecule.

Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε ένας νέος αλγόριθμος χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτροστατικής φύσεως αποτελούν αντικείμενο εκτενούς μελέτης στον ερευνητικό κλάδο των μοριακών προσομοιώσεων. Ιδιαίτερα σε βιολογικά μοριακά συστήματα, τα οποία αποτελούνται από υδατικά διαλύματα πολυηλεκτρολυτών, οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις κυριαρχούν. Η ευρέως διαδεδομένη μέθοδος άθροισης κατά Ewald η οποία χαρακτηρίζεται για την ακρίβεια της, είναι ιδιαίτερα απαιτητική σε υπολογιστικό χρόνο δεδομένου ότι κλιμακώνεται ως Ν2, όπου Ν ο συνολικός αριθμός φορτίων του συστήματος. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η προσεγγιστική μέθοδος σφαιρικής αποκοπής για την περίπτωση πολυηλεκτρολυτών. Έως σήμερα, η μέθοδος της σφαιρικής αποκοπής έχει εφαρμοστεί σε μοριακά συστήματα ιοντικών κρυστάλλων. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, εισάγοντας μια σφαιρική αποκοπή στον υπολογισμό του ηλεκτροστατικού δυναμικού και παράλληλα επιτυγχάνοντας ηλεκτροουδετερότητα του υπό εξέταση σφαιρικού συστήματος, πραγματοποιείται μείωση του υπολογιστικού χρόνου σε δίχως σημαντικές απώλειες σε ακρίβεια. Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής για δύο κατηγορίες μορίων: τους πολυηλεκτρολύτες χωρίς ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι το μόριο του νερού και τους πολυηλεκτρολύτες με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι τα μόρια CiEj των αλκυλικών αιθέρων πολυ-(οξυ-αιθυλενίου). Επιπρόσθετα, επεκτείναμε τη μέθοδο άθροισης κατά Ewald για την εφαρμογή της σε πολυηλεκτρολύτες, χωρίς και με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις προκειμένου να προχωρήσουμε σε σύγκριση της ακριβής μεθόδου Ewald με τα αποτελέσματα του νέου αλγορίθμου της σφαιρικής αποκοπής. Συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα των δύο μεθόδων για τα δύο διαφορετικά είδη πολυηλεκτρολυτών ( H2Ο και CiEj ) από ατομιστικές προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής οδηγηθήκαμε σε πλήρη συμφωνία των δύο μεθόδων γεγονός που επιβεβαιώνει την εγκυρότητας της νέας μεθόδου. Επίσης, μέσω των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής μελετήθηκαν οι θερμοδυναμικές, δομικές και δυναμικές ιδιότητες των δύο συστημάτων. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο θεωρητικό υπόβαθρο προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων που συναντούμε έως σήμερα στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με τις μεθόδους σφαιρικής αποκοπής και άθροισης κατά Ewald. / -

Η παρούσα εργασία αφορά την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων και την εκτέλεση υπολογιστικών προσομοιώσεων Μοριακής δυναμικής για την περιγραφή και μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς συστημάτων αποτελούμενων από μακρομόρια πολυαιθυλενοξειδίου. Δύο κατηγορίες συστημάτων εξετάστηκαν, πολυμερικά τήγμα κυκλικών καθώς και γραμμικών αλυσίδων του πολυαιθυλενοξειδίου. Ένα εύρος δομικών θερμοδυναμικών αλλά και δυναμικών ιδιοτήτων περιγράφεται από το προτεινόμενο μοριακό μοντέλο και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τις προβλέψεις των δύο επιτυχημένων θεωριών για τα πολυμερή, τις θεωρίες Rouse και ερπυσμού (Reptation Theory). Δίνεται έμφαση στη σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τις προσομοιώσεις των γραμμικών και κυκλικών συστημάτων έτσι ώστε να κατανοηθεί η φύση της κυκλικής αλυσίδας. Η μελέτη αυτή διαπραγματεύεται ταυτόχρονα ένα αυστηρά καθορισμένο πρόβλημα από φυσική άποψη αλλά και ένα ιδιαίτερο θέμα σύγχρονου τεχνολογικού ενδιαφέροντος. Η εργασία αρχικά εισάγει το γενικότερο πλαίσιο κάτω από το οποίο θα γίνει η μελέτη των συστημάτων πολυαιθυλενοξειδίου. Γίνεται αναφορά σε θεωρητικά θέματα όπως η ανάπτυξη της θεωρίας Rouse και ερπυσμού τόσο για τα γραμμικά όσο και για τα κυκλικά πολυμερή και έπειτα παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων των προαναφερθέντων συστημάτων σε ένα εύρος θερμοκρασιών. / This work involves developing mathematical models and molecular dynamics computer simulations which are performed to describe and study the dynamic behavior of systems composed of polyethylene macromolecules. Two types of systems examined, polymer melt cyclic and linear chains of polyethylene. A range of structural, thermodynamic and dynamic properties are described by the proposed molecular model and the results are compared with the predictions of two successful theories for polymers, Rouse and Reptation Theory. Emphasis is placed on comparing the results of simulations of linear and cyclic systems so as to understand the nature of the circular chain. This study deals with a strictly defined physical problem but also an issue of distinct technological interest. This work initially introduces the general framework under which the study will be made of polyethylene systems. Refer to theoretical issues such as the development of Rouse and Reptation theory for both linear and cyclic polymers and then presented simulation results of the above systems in a range of temperatures.

Small concentrations of graphene can significantly alter the phase behavior and the mechanical and electrical characteristics of polymeric materials. In this Masters thesis, we present results from a hierarchical simulation methodology that leads to the prediction of the thermodynamic, conformational, structural, dynamic and mechanical properties of polymer nanocomposites. As a model system, we have chosen syndiotactic poly(methyl methacrylate) or sPMMA reinforced with uniformly dispersed graphene sheets. How graphene functionalization affects the elastic constants of the resulting nanocomposite is also examined. The simulation strategy entails three steps: 1) Generation of an initial structure which is subjected to potential energy minimization and detailed molecular dynamics (MD) simulations at T=500K and P=1atm, to obtain well relaxed melt configurations of the nanocomposite and to extract any interested properties. Furthermore, for the sPMMA/graphene nanocomposite: 2) Gradual cooling of selected configurations down to room temperature to obtain a good number of structures representative of its glassy phase, and 3) Molecular mechanics (MM) calculations of its mechanical properties following the method originally proposed by Theodorou and Suter. The MD simulations have been executed with the LAMMPS code using the all-atom DREIDING force-field. By analyzing MD trajectories under constant temperature and pressure, all nanocomposite systems were found to exhibit slower terminal and segmental dynamics than the unfilled ones. The addition of a small fraction of graphene sheets in the polymer matrix led to the enhancement of its elastic constants especially when functionalized graphene sheets were used. / Μικρές συγκεντρώσεις γραφενίου μπορούν να τροποποιήσουν σημαντικά τη φασική συμπεριφορά και τα μηχανικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πολυμερικών υλικών. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζουμε αποτελέσματα από μία ιεραρχική μεθοδολογία προσομοίωσης που οδηγεί στη πρόβλεψη των θερμοδυναμικών, δομικών, δυναμικών και μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικών νανοσύνθετων υλικών. Σαν σύστημα μοντελοποίησης, επιλέξαμε τον συνδιοτακτικό πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα, syndiotactic poly(methyl methacrylate), ή sPMMA, ενισχυμένο με ομοιόμορφα διεσπαρμένα φύλλα γραφενίου. Επίσης εξετάζεται και το πώς η χημική τροποποίηση του γραφενίου επηρεάζει τις ελαστικές ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού. Η στρατηγική της προσομοίωσης των συστημάτων συνοψίζεται σε τρία βήματα: 1) Δημιουργία αρχικών απεικονίσεων οι οποίες υποβάλλονται σε ελαχιστοποίηση της δυναμικής τους ενέργειας και στη συνέχεια σε λεπτομερείς προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (MD) σε T=500K και P=1atm, ώστε να εξαγάγουμε πλήρως χαλαρωμένες διαμορφώσεις τήγματος του νανοσύνθετου υλικού και να υπολογίσουμε ιδιότητες που μας ενδιαφέρουν. Επιπλέον για τα νανοσύνθετα υλικά sPMMA/γραφενίου συνεχίζουμε με 2) Σταδιακή ψύξη επιλεγμένων ατομιστικών διαμορφώσεων σε θερμοκρασία δωματίου με σκοπό την εξαγωγή ενός ικανοποιητικού αριθμού δομών, αντιπροσωπευτικών της υαλώδους φάσης τους, και 3) Εφαρμογή της μεθόδου της Μοριακής Μηχανικής (MM) για τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων τους ακολουθώντας τη μέθοδο που προτάθηκε από τους Θεοδώρου και Suter. Οι προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του κώδικα LAMMPS, εφαρμόζοντας το DREIDING πεδίο-δυνάμεων και υιοθετόντας το μοντέλο των διακριτών ατόμων για την περιγραφή των ατομιστικών αλληλεπιδράσεων των συστημάτων. Αναλύοντας τις τροχιές των ατόμων από τις προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής υπό σταθερή θερμοκρασία και πίεση, τα υπό μελέτη νανοσύνθετα συστήματα βρέθηκαν να παρουσιάζουν βραδύτερη ολική και τοπική δυναμική σε σχέση με το καθαρό πολυμερές. Η προσθήκη μικρών κλασμάτων φύλλων γραφενίου στην πολυμερική μήτρα οδήγησε στην ενίσχυση των ελαστικών ιδιοτήτων της και σε μία περαιτέρω βελτίωση αυτών, όταν χρησιμοποιήθηκαν χημικώς τροποιημένα φύλλα γραφενίου.

Το αντικείμενο της έρευνας της παρούσας εργασίας είναι η ατομιστική προσομοίωση της ρόφησης αερίων μέσα σε ζεολιθους, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας στην δομή του και την ροφητική του ικανότητα. Από τους σχεδόν 200 συνθετικούς και φυσικούς ζεολίθους, επιλέχθηκε ο φωγιασίτης, ο οποίος αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο υλικό με πλήθος εφαρμογών, όπως η ρόφηση, η αποθήκευση και ο διαχωρισμός αερίων, αλλά και σε τομείς όπως η κατάλυση και η δημιουργία συσκευών ανίχνευσης αερίων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξετάστηκε η αλληλεπίδραση των κατιόντων της δομής με μόρια διαφόρων αερίων, τα οποία ροφούνται στον φωγιασίτη, καθώς και ο βαθμός στον οποίο αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει την ποσότητα του αερίου που μπορεί να ροφηθεί. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά ανακατασκευάστηκε στον υπολογιστή η δομή της μοναδιαίας κυψελίδας του φωγιασίτη και έγινε μοντελοποίηση της ρόφησης μορίων CO2 και Η2 μέσα στην ανακατασκευασμένη κυψελίδα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του λόγου Si/Al στον κρύσταλλο, και της σύστασής του σε μη πλεγματικά κατιόντα. Στο τμήμα αυτό έγινε η θεώρηση ότι η δομή μένει αμετάβλητη με την είσοδο των μορίων του αερίου. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στην θέση των ιόντων, των ατόμων του πλέγματος και στο μέγεθος της μοναδιαίας κυψελίδας, καθώς και η περαιτέρω επίδραση που φέρουν αυτές οι αλλαγές στη ρόφηση. Τα αποτελέσματα της ρόφησης συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Τέλος, μοντελοποιήθηκε η διάχυση του CO2 μέσα στον φωγιασίτη και υπολογίστηκε ο συντελεστής διαχύσεως σε διάφορες θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα από πειραματική μέτρηση του συντελεστή διαχύσεως του αερίου στον φωγιασίτη. Η αναπαράσταση του υλικού και των φαινομένων της ρόφησης έγινε σε ατομιστικό επίπεδο, με την χρήση μεθόδων Monte Carlo, ενώ η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του φωγιασίτη με τις μεταβολές της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της προσομοιωμένης ανόπτησης. Η διάχυση μοντελοποιήθηκε με την μέθοδο της μοριακής δυναμικής. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται Ατομιστικά Μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τα οποία μπορούν να αποτελέσουν το πρώτο σημαντικό βήμα για τη μελέτη της βιολογικής μεμβράνης ή και ακόμα τη μελέτη συστημάτων μεμβρανών με πρωτεΐνες, σάκχαρα κ.α. Τέτοιες προσομοιώσεις θα μας δώσουν στοιχεία για μακροσκοπικές ιδιότητες της μεμβράνης (π.χ. διαχυτότητα) παρουσία συγκεκριμένων άλλων μακρομορίων. Αρχικά μελετάται σε ατομιστικό επίπεδο, με τα μοντέλα Διακριτών και Ενοποιημένων Ατόμων, τήγμα παλμιτικού οξέος (383Κ). Η καταλληλόλητα του νέου μοντέλου που εισήχθη για την περίπτωση των Ενοποιημένων Ατόμων εξετάζεται με βάση τις ιδιότητες διαμόρφωσης (λ.χ. κατανομές γωνιών) που εξάγονται από το μοντέλο Διακριτών Ατόμων. Στο μοντέλο Διακριτών Ατόμων χρησιμοποιήθηκε το αναλυτικότερο δυνατό δυναμικό (COMPASS). Τα αποτελέσματα ήταν άκρως ικανοποιητικά. Έχοντας ένα αξιόπιστο μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων προχωρήσαμε στο επόμενο βήμα. Επόμενο βήμα ήταν η μελέτη συστήματος παλμιτικού οξέος ανάμεσα από στρώμα νερού. Σημαντικό μειονέκτημα του μοντέλου Διακριτών Ατόμων για ένα τόσο μεγάλο σύστημα αποτελεί η περιορισμένη χρονική κλίμακα. Φαινόμενα σχηματισμού διπλοστοιβάδας παλμιτικού οξέος παρουσία νερού, είναι πολύ δύσκολο να μελετηθούν με χρήση μοντέλου Διακριτών Ατόμων λόγω των πολύ μικρών χρόνων που καλύπτουν. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η χρήση μοντέλου Ενοποιημένων Ατόμων για το σύστημα PLM – νερό. Χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο Ενοποιημένων Ατόμων που οι ίδιοι αναπτύξαμε, όπως και για την περίπτωση του τήγματος, για την περιγραφή του παλμιτικού οξέος, και το μοντέλο SPCE για το νερό, το οποίο είναι ευρέως αποδεκτό από την επιστημονική κοινότητα. Πέραν της σύγκρισης των μοντέλων Ενοποιημένων και Διακριτών Ατόμων που έγινε για το τήγμα του παλμιτικού οξέος, πραγματοποιήθηκαν και διάφοροι υπολογισμοί που αφορούν τη σταθεροποίηση του συστήματος (Autocorrelation faction of end-to-end distance vector), δομικές ιδιότητες (Radial Distribution Function), ιδιότητες διαμόρφωσης (angle distribution, radius of gyration, end-to-end distance vector) και θερμοδυναμικές ιδιότητες (density). Υπολογίστηκαν επίσης ο συντελεστής αυτοδιάχυσης (self diffusion coefficient) καθώς και το πλήθος δεσμών υδρογόνου. / This diploma thesis presents Atomistic Models of Discrete and Integrated atoms, which can be an important first step to study the biological membrane or even studying membrane systems with proteins, sugars, etc. Such simulations will give us data on macroscopic membrane properties (eg diffusivity) in the presence of certain other macromolecules. Initially we study melt palmitic acid (383K)in atomistic level. The suitability of the new model, introduced for the case of the Consolidated Atoms is examined by checking the configuration properties (eg angles distributions) derived from the model of Discrete Atoms. In the model of discrete atoms the disaggregated possible dynamic (COMPASS)was used. The results were highly satisfactory. Having a reliable model for Unified atoms we move to the next step. Next step was to study the system of palmitic acid between waterbed. Major drawback of the model of Discrete atoms for such a large system is the limited time scale. Phenomena of bilayer formation of palmitic acid in the presence of water is very difficult to be studied using discrete atoms model because of very short times covered. Therefore, it is necessary to use a model of integrated atoms for the system PLM - water. We used the model of Unified atoms we ourselves have developed, as in the case of the melt, for the description of palmitic acid, and the SPCE model for water, which is widely accepted by the scientific community. Beyond the comparison of models of integrated and discrete atoms made for the melt of palmitic acid, various calculations for the stabilisation the system (Autocorrelation faction of end-to-end distance vector), structural properties (Radial Distribution Function), properties configuration (angle distribution, radius of gyration, end-to-end distance vector) and thermodynamic properties (density)were made. The self-diffusion coefficient (self diffusion coefficient) and the number of hydrogen bonds were also calculated.