Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός γραφικού περιβάλλοντος σε MATLAB που θα προσομοιώνει τη συμπεριφορά ηλεκτροδυναμικού μεγαφώνου τοποθετημένου σε διαφορά κουτιά της επιλογής του χρήστη. Επίσης προσομοιώνει τη συμπεριφορά του μεγαφώνου σε αντίστροφη λειτουργία, δηλαδή ως ακουστικός δέκτης (μικρόφωνο). Για την πιστοποίηση της εγκυρότητας των προσομοιώσεων έγιναν εργαστηριακές μετρήσεις, σύγκριση αυτών με τις προσομοιώσεις και στη συνέχεια μελέτη με χρήση του αναπτυχθέντος λογισμικού για διάφορες διατάξεις. / Purpose of this project is to develop a MATLAB interface in order to simulate loudspeaker behaviour mounted in various enclosures. Additionaly, the application shall simulate the inverse behaviour of a loudspeaker (as a microphone).To certify the simulations, they are compared with laboratory measurements.Finallly, various loudspeaker-enclosure systems are simulated.

Ο σχεδιασμός καινοτόμων νανοδομημένων μεμβρανών αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη λύση για την αποτελεσματική και χαμηλού κόστους επεξεργασία των λυμάτων. Συνεπώς, η επιλογή των κατάλληλων υλικών και η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων διαπερατότητας τους αποτελούν βασικά ζητήματα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μία πολύ ελκυστική επιλογή λόγω της ικανότητας απόρριψης οργανικών ρύπων χαμηλού μοριακού βάρους. Γι’ αυτό το λόγο, η διεξαγωγή μοριακών προσομοιώσεων είναι πολύ σημαντική, όσον αναφορά τη μελέτη της ρόφησης και της μεταφοράς των μορίων αυτών, έτσι ώστε να επιτευχθεί καλύτερος σχεδιασμός των υλικών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η αυτό-οργάνωση και η διάχυση μορίων χαμηλού μοριακού βάρους εντός νανοσωλήνων άνθρακα σε σχέση με τη διάμετρο των πόρων του. Αρχικά, με τη βοήθεια ενός ατομιστικού αλγορίθμου Monte Carlo, κατέστη δυνατή η μελέτη της ρόφησης και της δομής των μορίων νερού εντός των νανοσωλήνων άνθρακα, σε συνάρτηση με τη διάμετρο τους, ενώ ο αλγόριθμος μπορεί να επεκταθεί έτσι ώστε να μελετηθεί η αυτό-οργάνωση και άλλων μικρών μορίων. Στην περίπτωση μας, παρατηρήθηκε ισχυρή εξάρτηση της δομής του εγκλεισμένου νερού από τη διάμετρο των υδροφοβικών νανοπόρων. Ο δεύτερος ατομιστικός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε βασίζεται στη μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής (MD) και μας επιτρέπει να υπολογίσουμε τις δυναμικές ιδιότητες των μορίων που ροφώνται εντός του νανοσωλήνα άνθρακα, ως συνάρτηση πάλι της διαμέτρου του. Η εφαρμογή και των δύο αλγορίθμων (MC και MD) είναι πολύ σημαντική, καθώς αρχικά με την υλοποίηση του αλγόριθμου Monte Carlo (MC), χρησιμοποιώντας μια σειρά από δραστικές κινήσεις, μπορούν να μελετηθούν οι δομικές ιδιότητες του συστήματος που μας ενδιαφέρει. Στη συνέχεια, μπορούν να πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις MD χρησιμοποιώντας ως αρχική απεικόνιση μία διαμόρφωση από το MC η οποία θα βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Το γεγονός αυτό καθίσταται πολύ σημαντικό για αρκετά μεγάλα μόρια, των οποίων η προσομοίωση MD απαιτεί τεράστιο υπολογιστικό χρόνο, καθώς η ρόφηση εντός των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να είναι αρκετά χρονοβόρα. Αντίθετα για μικρά μόρια, οι προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής μπορούν να προβλέψουν αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά της ρόφησης σε εύλογο χρονικό υπολογιστικό διάστημα. Μέχρι τώρα, έχουν υλοποιηθεί προσομοιώσεις MD για να προβλεφθεί η αυτό-οργάνωση και η υδροδυναμική συμπεριφορά όχι μόνο του νερού αλλά και άλλων μορίων (όπως η τυροσόλη, το βανιλλικό οξύ και το π-κουμαρικό οξύ) για πολυθρονικούς μονοφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα, με τα αποτελέσματα να εμφανίζουν μεγάλη εξάρτηση από τη διάμετρο των πόρων των νανοσωλήνων. / The rejection of organic pollutants with low molecular weight, as well as the membrane fouling, should be considered fundamental aspects for the design of innovative nanostructured membranes for waste water treatment. The selection of the appropriate materials for the manufacturing of new membranes and the optimization of their permeability properties constitute key issues that one has to address for new, improved, and integrated separation processes. Carbon nanotubes (CNTs) exhibit the unique capability to reject low molecular weight solutes which renders them a very attractive alternative to conventional separation membranes. Their ability to transport or store fluids, particularly aqueous solutions at the nanoscale is a key parameter that one has to explore in terms of science and technological aspect. Therefore, a thorough understanding of the molecular distribution and the transport mechanisms of small molecules within CNTs is essential. Molecular simulations have proven to be a versatile tool for studying fluid characteristics within CNTs. In the present study, we have carried out detailed atomistic Grand Canonical μVT Monte Carlo (GCMC) and Molecular dynamics (MD) simulations of low-molecular weight compounds inside smooth single-wall carbon nanotubes (SWNTs) and studied their structural and dynamic properties as a function of the CNT diameter. The GCMC code is capable of probing the CNT loading of water molecules and their self-organization inside the tube as a function of its diameter, while the MD algorithm allowed us to compute also the dynamics of the absorbed molecules inside the CNT, again as a function of its diameter. For the case of water molecules, the results for the thermodynamic and structural properties obtained by both methods (Grand canonical MC and MD) were identical and demonstrated a highly ordered, hydrogen-bonded structure which depends strongly on the diameter of the nanotube. Ideally, the two methods should be used in a hierarchical way: first, with the help of the MC algorithm, and by making use of a set of drastic MC moves, one can study the nano-sorption properties of the compound of interest for a given CNT diameter. Then, MD simulations can be carried out using as initial configuration one obtained from the MC runs at the state of thermodynamic equilibrium. This is very important for rather large molecules whose sorption inside CNTs with a rather small diameter might take too long to complete in a brute-force MD simulation because it might require times longer than the few microseconds that can be accessed today on the most powerful supercomputers. But for small compounds, the MD simulations can reliably predict their nano-soprtion characteristics within reasonable CPU time. Therefore, MD simulations were employed to compute the sorption and structural properties not only of water but also of other molecules (such as hexane, decane, tyrosol, and vanilic acid) in arm-chair CNTs with several diameters. All of the results have been found to depend strongly on the diameter of the nanotube.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει θέμα την τρισδιάστατη μοντελοποίηση του νέου λιμανιού της Πάτρας σε λογισμικό Simio και την προσομοίωση της χερσαίας και θαλάσσιας κίνησης σε αυτό. Το λογισμικό Simio είναι ένα πρωτότυπο πρόγραμμα προσομοίωσης με γραφικά ανώτερου επιπέδου, που οδηγούν σε πιστή σχεδίαση του εκάστοτε συστήματος, και επιπλέον μέσω της σύγχρονης τεχνολογίας του επιτυγχάνεται η λειτουργία της προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο. Η προσομοίωση γίνεται σε τρισδιάστατο περιβάλλον και ο τρόπος λειτουργίας του λογισμικού είναι αντικειμενοστραφής. Με τη βοήθεια των απαραίτητων σχεδίων σε AutoCAD που παραχωρήθηκαν από τις αρμόδιες υπηρεσίες του λιμανιού, σχεδιάστηκε ο εξωτερικός χώρος του νέου λιμανιού της Πάτρας και πάνω σε αυτό προγραμματίστηκε η προσομοίωση της κίνησης των οχημάτων και των πλοίων, καθώς και των ανθρώπινων δραστηριοτήτων που πραγματοποιούνται καθημερινά σε αυτό. Ο προγραμματισμός των λειτουργιών του προσομοιωμένου συστήματος δεν απαιτεί κάποια εκ των προτέρων γνώση μίας γλώσσας προγραμματισμού αλλά επιτυγχάνεται μέσω της δημιουργίας διαγραμμάτων ροής, μαθηματικών συναρτήσεων, εμπειρικών κανόνων και ορισμού των ιδιοτήτων του κάθε αντικειμένου που εισάγεται. Κατ’ αυτόν τρόπο, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης του νέου λιμανιού της Πάτρας όπου περιγράφεται η κίνηση των πλοίων η οποία βασίζεται στο πρόγραμμα δρομολογίων του έτους 2012. Σκοπός της προσομοίωσης του νέου λιμανιού είναι η δυνατότητα που παρέχει στον χρήστη να αναζητήσει αποτελεσματικότερη λειτουργία αυτού, να μελετήσει μεταβολές στη λειτουργία του πριν την εφαρμογή τους και γενικά να δοκιμάσει διάφορα σενάρια λειτουργίας του. / This thesia deals with the three-dimensional modeling of the new port of Patras in Simio software. Simio software is a simulation prototype program with superior 3d graphics, achieving true design of each system, and also through its modern technology leads to a real-time simulation mode. With the help of the architectural designs in AutoCAD granted by the competent authorities of the port, the exterior of the new port of Patras is designed in three-dimensional environment and on this, a simulation of the movement of vehicles, ships and human activities is programmed. Programming does not require any advance knowledge of a programming language but it is achieved through creating flowcharts, mathematical functions, empirical rules and defining the properties of each object being imported. The purpose of the simulation of the new port of Patras is the possibility offered to search more efficient operations, to study changes before implementing them and generally to try various operation scenarios.

Η θανατηφόρος δράση του βακτηρίου του άνθρακα (Bacillus anthracis), στο οποίο οφείλεται η καλούμενη ως νόσος του άνθρακα, εντοπίζεται στη συνεργό δράση τριών εκλυόμενων τοξινών του και ειδικότερα στην πρωτεολυτική δράση του θανατηφόρου παράγοντα (anthrax Lethal Factor, LF). Ο LF είναι μία μεταλλοπρωτεάση ψευδαργύρου και ισχυρή τοξίνη, η οποία απελευθερώνεται στον οργανισμό στα πρώτα στάδια προσβολής του ατόμου από το βακτήριο. Το ενεργό/καταλυτικό κέντρο του αναγνωρίζει και υδρολύει με εξαιρετική εξειδίκευση πεπτιδικά υποστρώματα ΜΚΚ κινασών, αναστέλλοντας τις διαδικασίες μεταγωγής σήματος στα κύτταρα του μολυσμένου ξενιστή επιφέροντας το θάνατό του. Από την άλλη, η εξειδικευμένη πρωτεολυτική ικανότητα του LF έναντι αυτών των κινασών, οι οποίες πρόσφατα συσχετίστηκαν με ανάπτυξη καρκινικών όγκων, ενδέχεται να αποτελέσει μια καινοτόμο θεραπευτική οδό για την αντιμετώπιση καρκινικών όγκων εν τη γενέση τους. Ωστόσο, ο μηχανισμός της αλληλεπίδρασης σε μοριακό επίπεδο και της πρωτεολυτικής διάσπασης των υποστρωμάτων του LF παραμένει μέχρι και σήμερα αδιευκρίνιστος και συνεπώς χρήζει ιδιαίτερης μελέτης. Προς αυτή την κατεύθυνση εστιάστηκε το ενδιαφέρον της διατριβής έχοντας ως πρωτογενείς στόχους την in silico μελέτη της αλληλεπίδρασης, σε μοριακό επίπεδο, του καταλυτικού κέντρου του LF με τα υποστρώματα των ΜΚΚ κινασών που υδρολύει, και την μελέτη μέσω Φασματοσκοπίας NMR της δομής και δυναμικής του ενεργού κέντρου του LF σε ελεύθερη μορφή, το οποίο ευρίσκεται στο C-τελικό άκρο του. Με την εφαρμογή τεχνικών προσομοίωσης πρόσδεσης και μοριακής δυναμικής πραγματοποιήθηκε in silico μελέτη των συμπλόκων LF-υποστρώματα, και προσδιορίστηκε ένα ευρύ φάσμα αλληλεπιδράσεων, όχι μόνο γύρω από το μεταλλικό/καταλυτικό κέντρο αλλά και σε απόσταση 20 Å στην περιοχή δέσμευσης του Zn2+, υποδεικνύοντας έτσι τους δομικούς παράγοντες που πιθανόν καθορίζουν το είδος της αλληλεπίδρασής ενζύμου με τις κινάσες που υδρολύει, παρέχοντας έτσι σημαντικές πληροφορίες για τον σχεδιασμό και την αναζήτηση βιοδραστικών μορίων με φαρμακευτικό ενδιαφέρον έναντι στον LF. Τα δεδομένα αυτά μπορούν επίσης να αξιοποιηθούν σε μελέτες δομής-δράσης με σημειακές και/ή πολλαπλές μεταλλάξεις. Με την χρήση φασματοσκοπίας NMR, πραγματοποιήθηκε μελέτη της δομής και δυναμικής του ενεργού κέντρου του LF σε ελεύθερη μορφή (apoLF672-776). Η επίλυση των τρισδιάστατων NMR δομών του apoLF672-776 έδωσαν μια εξαιρετικά σαφή εικόνα για τη δομή του ενεργού κέντρου του LF, το οποίο βρίσκεται σε συμφωνία με τις υπάρχουσες κρυσταλλικές δομές. Τα συγκεκριμένα ΝΜR δεδομένα μπορούν να αξιοποιηθούν σε μελέτες με NMR υπό το καθεστώς αλληλεπίδρασης του LF με τα πεπτιδικά υποστρώματά του και χαρακτηρισμό της δυναμικής της αλληλεπίδρασης, όπως επίσης και τον υπολογισμό της συγγένειας δέσμευσής τους. / The anthrax toxin of the bacterium Bacillus anthracis consists of three distinct proteins, one of which is the anthrax lethal factor (LF). LF is a gluzincin Zn-dependent, highly specific metalloprotease with a molecular mass of ~90 kDa that cleaves most isoforms of the family of mitogen-activated protein kinase kinases (MEKs/MKKs) close to their amino termini, resulting in the inhibition of one or more signaling pathways. Previous studies on the crystal structures of uncomplexed LF and LF complexed with the substrate MEK2 or a MKK-based synthetic peptide provided structure-activity correlations and the basis for the rational design of efficient inhibitors. However, in the crystallographic structures, the substrate peptide was not properly oriented in the active site due to the absence of the catalytic zinc atom. The primary target of the thesis was to examine in silico the LF-MEK/MKK interaction along the catalytic channel up to a distance of 20 Å from the zinc atom, using docking and molecular dynamics protocols. This residue-specific view of the enzyme-substrate interaction provides valuable information about: (i) the substrate selectivity of LF and its inactivation of MEKs/MKKs, (an issue highly important not only to anthrax infection, but also to the pathogenesis of cancer), and (ii) the discovery of new, previously unexploited, hot-spots of the LF catalytic channel that are important in the enzyme/substrate binding and interaction. Given the importance of the interaction between LF and substrate for the development of anti-anthrax agents as well as the potential treatment of nascent tumours, the analysis of the structure and dynamic properties of the LF catalytic site are essential to elucidate its enzymatic properties. The thesis interest was oriented then to the solution structure of the catalytic domain of apo LF and present data on its dynamics. The solution nuclear magnetic resonance (NMR) structure and mobility studies of the catalytic domain of apoLF672-776 reveals that the conformation of the C-terminal construct of the LF catalytic domain and the orientation of the six helical motifs are remarkably similar to the native structure, indicating the LF polypeptides catalytic site as reliable models of the enzyme active centre.

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs) ανήκουν στην υπερ-οικογένεια των ιοντικών καναλιών που ενεργοποιούνται από τη δέσμευση ενός προσδέτη (LGICs) και αποτελούνται από πέντε ομόλογες υπομονάδες. Κάθε μονομερής υπομονάδα αποτελείται από μία Ν-τελική εξωκυττάρια περιοχή (ΕΚΠ), από τέσσερεις διαμεμβρανικές α-έλικες και από μία κυτταροπλασματική περιοχή. Στην ΕΚΠ βρίσκεται η χαρακτηριστική Cys-θηλιά της υπερ-οικογένειας, καθώς και οι θέσεις πρόσδεσης αγωνιστών και ανταγωνιστών του υποδοχέα. Οι γνώσεις μας γύρω από τη δομή των nAChRs προέρχονται κυρίως από κρυσταλλογραφικές δομές ομολόγων πρωτεϊνών δέσμευσης της ACh (AChBP) μαλακίων, από μια δομή του nAChR από ιχθείς του γένους Torpedo που προέρχεται από ηλεκτρονική μικροσκοπία, από την κρυσταλλογραφική δομή της α1-ΕΚΠ ποντικού σε σύμπλοκο με α-μπουγκαροτοξίνη (α-Btx) και από κρυσταλλογραφικές δομές δύο προκαρυωτικών LGICs. Παρά τη μεγάλη πρόοδο που πραγματοποιήθηκε με τα παραπάνω επιτεύγματα, ακόμη δεν έχει επιλυθεί πειραματικά η δομή ανθρώπινου υποδοχέα. Επίσης λίγα είναι γνωστά για την επίδραση της γλυκοζυλίωσης των ΕΚΠ στη λειτουργία του nAChR. Χρησιμοποιώντας ως εκμαγείο την κρυσταλλογραφική δομή του συμπλόκου α1-ΕΚΠ ποντικού/α-Btx δημιουργήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα της ανθρώπινης α1-ΕΚΠ προσδεμένης στις τοξίνες α-μπουγκαροτοξίνη (α-Btx), α-κομπρατοξίνη (α-Cbtx), α-κωνοτοξίνη (α-Ctx) ImI και α-κωνοτοξίνη GI. Στα σύμπλοκα με α-Btx και α-Cbtx προστέθηκε η υδατανθρακική αλυσίδα, συνδεδεμένη με το κατάλοιπο Asn141, που συγκρυσταλλώθηκε μαζί με την α1-ΕΚΠ ποντικού. Για να μελετηθεί η δυναμική συμπεριφορά της αλληλεπίδρασης υποδοχέα-τοξίνης καθώς και η συνεισφορά των σακχάρων σε αυτήν πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής σε υδατικό περιβάλλον. Με τη χρήση υπολογιστικών εργαλείων για τη μελέτη των συμπλόκων προσδιορίστηκαν σε ατομικό επίπεδο οι αλληλεπιδράσεις που καθοδηγούν την πρόσδεση τοξινών στην α1-ΕΚΠ. Βρέθηκε ότι η υδατανθρακική αλυσίδα συμμετέχει δυναμικά στη δέσμευση της τοξίνης στον υποδοχέα. Τα σάκχαρα συγκλίνουν προς την προσδεμένη τοξίνη στηριζόμενα στα κατάλοιπα Ser187 και Trp184 της α1 υπομονάδας. Η τοξίνη επίσης μετακινείται φέρνοντας τη θηλιά Ι σε επαφή με τα σάκχαρα. Αναγνωρίστηκαν σημαντικές αλληλεπιδράσεις των σακχάρων με τα τοξινικά κατάλοιπα Thr6, Ser9, και Th15 της α-Btx και Thr6 και Pro7 της α-Cbtx. Επίσης επιβεβαιώθηκε η ύπαρξη μιας υδρόφιλης κοιλότητας στο εσωτερικό του υδρόφοβου πυρήνα της α1-ΕΚΠ, η οποία πιθανόν εμπλέκεται στο άνοιγμα του ιοντικού καναλιού του nAChR. Τα αποτελέσματα αυτά παρέχουν σημαντικά δεδομένα για την κατανόηση της επίδρασης της υδατανθρακικής αλυσίδας στη λειτουργία του υποδοχέα, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί στην αντιμετώπιση των πολλών παθολογικών καταστάσεων στις οποίες εμπλέκονται οι nAChRs. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) belong to the superfamily of ligand-gated ion channels (LGICs). LGICs form homo- or hetero-pentamers of related subunits, and each of them consists of a N-terminal extracellular ligand-binding domain (ECD), four transmembrane α-helixes and an intracellular region. The characteristic Cys-loop of the superfamily is found in the ECD of each subunit. The ECD also contains binding sites for agonists and competitive antagonists. Our knowledge regarding the nAChR structure mainly derives from the X-ray crystal structures of the molluscan ACh-binding proteins (AChBPs), the electron microscopy structure of the Torpedo nAChR, the X-ray crystal structure of the mouse nAChR α1-ECD bound to α-bungarotoxin (α-Btx), and the X-ray crystal structures of two prokaryotic LGICs. Despite the progress made by these achievements, the determination of any human nAChR structure has not yet been accomplished. Furthermore, the effect of glycosylation on nAChR function has not yet been explored. Based on the crystal structure of the extracellular domain of the mouse nAChR α1 subunit bound to α-Btx we have generated in silico models of the human nAChR α1-ECD bound to the toxins α-bungarotoxin (α-Btx), α-cobratoxin (α-Cbtx), α-conotoxin (α-Ctx) ImI and α-conotoxin GI. In the case of the α1-ECD/α-Btx and α-Cbtx complexes, a Asn141-linked carbohydrate chain was modeled, its coordinates taken from the crystal structure of the mouse α1-ECD. To gain further insight into the structural role of glycosylation molecular dynamics (MD) simulations were carried out in explicit solvent so as to compare the conformational dynamics of the binding interface between nAChR α1 and the two toxins. The use of computational methods allowed the monitoring of the interactions that govern toxin binding. The MD simulations revealed the strengthening of the receptor-toxin interaction in the presence of the carbohydrate chain. A shift in the position of the sugars towards the bound toxin was observed. Residues Ser187 and Trp184 of nAChR act as critical anchor points for the stabilization of the sugar chain in a close position to the toxin. Toxin Finger I shifts closer to the mannoses, forming important toxin-sugar interactions that implicate residues Thr6, Ser9, and Thr15 of α-Btx, as well as Thr6 and Pro7 of α-Cbtx. Additionally the MD simulations of the human α1 ECD–toxin complexes confirmed the possible accommodation of two water molecules into a hydration cavity inside the hydrophobic core of the subunit, which may contribute to the gating mechanism of the receptor. These findings provide additional structural data that are intended to inspire biophysical studies on the functional role of glycosylation in the gating mechanism of nAChR and also guide the development of novel therapeutic agents for the treatment of nAChR-associated diseases.

Τα μαγνητικά νανοσωματίδια συνήθως σχηματίζουν συλλογές, είτε με τυχαία είτε με διατεταγμένη δομή, που παρουσιάζουν νέες μαγνητικές ιδιότητες, διαφοροποιημένες σε σχέση με αυτές των συμπαγών μαγνητικών υλικών. Οι ιδιότητες των συστημάτων μαγνητικών νανοσωματιδίων έχουν αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένης πειραματικής και θεωρητικής έρευνας για πολλά χρόνια και έχουν δείξει τις δυνατότητες των τεχνολογικών εφαρμογών τους. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν διάφορα μεσοσκοπικά μοντέλα συλλογών μαγνητικών νανοσωματιδίων. Νέοι υπολογιστικοί κώδικες αναπτύχτηκαν που χρησιμοποιούν τον αλγόριθμο Metropolis Monte Carlo για την μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς των συλλογών των νανοσωματιδίων. Πρώτα μελετάμε το ρόλο των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των νανοσωματιδίων και της μορφολογία στην μαγνητική συμπεριφορά των πυκνών συλλογών των νανοσωματιδίων σιδήρου (Fe) με συγκεντρώσεις πολύ πάνω από το κατώφλι διήθησης. Στα μοντέλα μας κάθε απλό νανοσωματίδιο απεικονίζεται από ένα τρισδιάστατο κλασικό μοναδιαίο διάνυσμα σπιν. Οι προσομοιώσεις μας έδειξαν ότι ο ισχυρός ανταγωνισμός μεταξύ της ενέργειας ανισοτροπίας και της ενέργειας ανταλλαγής σε μη-ομοιόμορφες πυκνές συλλογές έχει σαν αποτέλεσμα τον ασαφή καθορισμό των ζεύξεων των μαγνητικών ροπών των νανοσωματιδίων και δημιουργεί οροπέδια (plateau) και απότομα βήματα (steps), τα οποία υποδηλώνουν μια ξαφνική, συλλογική αναστροφή των σπιν για χαμηλής και ενδιάμεσής ισχύος διπολικές δυνάμεις. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων μας και των πειραματικών αποτελεσμάτων για τις πυκνές συλλογές νανοσωματιδίων Fe επιβεβαιώνει το σπουδαίο ρόλο των περιοχών με διαφορετικές συγκεντρώσεις, που έχουν σαν αποτέλεσμα το σχηματισμό συσσωματωμάτων διαφορετικών μεγεθών, και δείχνει ότι η μαγνητική συμπεριφορά καθορίζεται από την μορφολογία του συστήματος. Ακολούθως μελετάμε την ταυτόχρονη συνεισφορά μεταξύ των εγγενών ιδιοτήτων και των συλλογικών φαινομένων. Πρώτα θεωρούμε την επιφανειακή συνεισφορά κάθε μαγνητικού νανοσωματιδίου της συλλογής. Παράγονται αναλυτικές εκφράσεις για τη μαγνήτιση για ασθενείς διπολικές αλληλεπιδράσεις σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Η μελέτη μας βασίζεται στην θερμοδυναμική θεωρία διαταραχών για το ισοδύναμο μοντέλο του ενός σπιν ανά σωμάτιο όπου ένα νανοσωματίδιο αναπαρίσταται από την μακροσκοπική μαγνητική ροπή του, λαμβάνοντας υπόψη τα επιφανειακά φαινόμενα κάθε νανοσωματιδίου. Οι προσεγγιστικές αναλυτικές εκφράσεις για την μαγνήτιση συγκρίνονται με προσομοιώσεις Monte Carlo και καθορίζεται το εύρος της ισχύος τους. Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι η μαγνήτιση επηρεάζεται από την ανισοτροπία των νανοσωματιδίων και το σχήμα της συλλογής και ότι, σε όλες τις περιπτώσεις, το αποτέλεσμα του όρου δεύτερης τάξης της διπολικής αλληλεπίδρασης στη θεωρία διαταραχών είναι η μείωση της μαγνήτισης. Κατόπιν, παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση για την προσομοίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων μεγάλων συλλογών σύνθετων μαγνητικών νανοσωματιδίων με μορφολογία σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού. Οι προσομοιώσεις με τη μέθοδο Monte Carlo των συλλογών μαγνητικών νανοσωματιδίων με σύνθετη μορφολογία πυρήνα/φλοιού αναπαράγει τις τάσεις που παρατηρούνται πειραματικά για τα φαινόμενα διεπαφής αλλά και για τα φαινόμενα που οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις. Η μεσοσκοπική μέθοδος βασίζεται στη μείωση του αριθμού των αναπαριστώμενων σπιν στον ελάχιστο αριθμό που είναι απαραίτητος για να περιγράψει την μαγνητική δομή των νανοσωματιδίων εισάγοντας τον επαρκή αριθμό των παραμέτρων ανταλλαγής μεταξύ των διαφορετικών σπιν. Για τέσσερα σωματίδια σιδηρομαγνητικού πυρήνα/αντισιδηρομαγνητικού φλοιού, οι τάσεις του μεσοσκοπικού μοντέλου είναι συνεπείς με τις πλήρεις Monte-Carlo προσομοιώσεις. Επιπλέον τα πλεονεκτήματα της προσέγγισης αποδεικνύεται με την προσομοίωση μεγάλων συλλογών νανοσωματιδίων Co/CoO που αναπαράγει ικανοποιητικά τα πειραματικά αποτελέσματα σε αυτό το σύστημα. / Magnetic nanoparticles usually form assemblies, either with random or ordered structure, which exhibit magnetic behaviour different from that of the bulk magnetic materials. The properties of the magnetic nanoparticles systems have been the subject of extensive experimental and theoretical research for many years and have demonstrated their potential technological application. In the present work, mesoscopic models of different types of magnetic nanoparticle assemblies with different morphologies have been studied. New Computational Codes have been developed with the implementation of the Metropolis Monte Carlo algorithm to study the magnetic behavior of the nanoparticles assemblies. First we study the role of interparticle interactions and the morphology in the magnetic behavior of dense assemblies of Fe nanoparticles with concentration well above the percolation threshold. We model every single nanoparticle with a three-dimensional classical unit spin vector. Our simulations showed that the strong competition between the anisotropy energy and exchange energy in non-uniform dense assemblies results in a frustration of the nanoparticles moments coupling and creates plateaus and abrupt steps, which indicate a sudden, collective spin reversal, for low and intermediate dipolar strengths. The comparison between our simulation results and the experimental findings dense assemblies of Fe nanoparticles confirmed the important role of the areas with different concentration, which results to the formation of clusters of different sizes and that magnetic behaviour is determined by the system morphology. Next we study the interplay between intrinsic properties and collective effects in assemblies. We first consider the surface contribution in each ferromagnetic nanoparticle in the assembly. Analytical expressions for the magnetization are obtained for weak dipolar interactions in dilute assemblies. Our study is based on thermodynamic perturbation theory for the effective macrospin model where a nanoparticle is represented by its macroscopic magnetic moment, taking into account surface effects of each nanoparticle. The approximate analytical expressions for the magnetization are compared to Monte Carlo simulations and their range of validity is established. Our calculations show that the magnetization is influenced by the nanoparticle anisotropy and the shape of the assembly and that in all cases the effect of the second order dipolar interaction term of the perturbation theory is the reduction of the magnetization. Finally, we present a novel approach to simulate the magnetic properties of large assemblies of bi-magnetic FM core/AFM shell nanoparticles. Monte-Carlo simulations of core/shell nanoparticle assemblies have reproduced the main trends observed experimentally for the the interface effects together with the interaction effects. Our mesoscopic method is based on reducing the amount of simulated spins to the minimum number necessary to describe the magnetic structure of the particles and introducing the adequate exchange parameters between the different spins. For four ferromagnetic/antiferromagnetic core/shell nanoparticles, the trends of the mesoscopic model are consistent with full Monte-Carlo simulations. Moreover, the validity of the approach is demonstrated by the simulation of large arrays of Co/CoO nanoparticles which satisfactorily reproduces experimental results in this system.

Ο PENELOPE αποτέλει σήμερα έναν ιδιαίτερα διαδεδομένο κώδικα στον τομέα της φυσικής αλληλεπιδράσεων φωτονίων και ηλεκτρονίων με την ύλη. Τα χαρακτηριστικά του είναι τέτοια, ώστε να είναι αρκετά προσαρμόσιμος κώδικας Μόντε Κάρλο σε προβλήματα ακτινοφυσικής και ιδιαίτερα προβλήματα ακτινοθεραπευτικής δοσιμετρίας και ακτινοθεραπευτικής ογκολογίας. Ο αρχικός σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας, ήταν να καταστεί αρχικά εκτελέσιμος ο κώδικας, να γίνει μια διερεύνηση των χαρακτηριστικών και των δυνατοτήτων του, και τέλος να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση μιας σειράς απλών προσομοιώσεων σχετιζόμενες με την ακτινοθεραπευτική ογκολογία. / Simulations using Monte Carlo code, PENELOPE, in Radiation Oncology.

- / -

Στην παρούσα εργασία μελετάται η συμπεριφορά ιζήματος σε αιώρηση που προκαλείται λόγω θραύσης κύματος σε πυθμένα σταθερής κλίσης. Η αριθμητική προσομοίωση επιτυγχάνεται με παράλληλη επίλυση των εξισώσεων κίνησης (Navier-Stokes και Συνέχειας) και της εξίσωσης Μεταγωγής-Διάχυσης για τη μεταφορά ιζήματος σε αιώρηση. Επιλέγονται οι κατάλληλες οριακές συνθήκες ελεύθερης επιφάνειας, εισόδου και εξόδου, ενώ για την οριακή συνθήκη πυθμένα χρησιμοποιούνται εμπειρικοί τύποι που συνδέουν τη διατμητική τάση πυθμένα με τη συγκέντρωση πυθμένα. Οι εξισώσεις μετασχηματίζονται κατάλληλα ώστε το υπολογιστικό πεδίο να γίνει ανεξάρτητο του χρόνου. Για τη χρονική διακριτοποίηση χρησιμοποιείται ένα σχήμα κλασματικής μεθόδου ολοκλήρωσης με σταθερό χρονικό βήμα. Για τη χωρική διακριτοποίηση χρησιμοποιείται ένα υβριδικό σχήμα, το οποίο περιλαμβάνει διακριτοποίηση των εξισώσεων με χρήση πεπερασμένων διαφορών κατά τη διεύθυνση της ροής και εφαρμογή της φασματικής μεθόδου παρεμβολής με πολυώνυμα Chebyshev για την κατακόρυφη διεύθυνση. Μελετώνται περιπτώσεις κόκκων ιζήματος με διάμετρο κανονικοποιημένη ως προς το χαρακτηριστικό βάθος ροής, =10-4, =2∙10-4 και =5∙10-4. Κατά την θραύση παρατηρείται σημαντική ανύψωση του ιζήματος πυθμένα στη στήλη του ύδατος και για τις τρεις περιπτώσεις. Η καθαρή παροχή ιζήματος σε αιώρηση παρουσιάζει τη τάση να κινείται προς τα ανάντη της ροής με τη μέγιστη τιμή να εμφανίζεται μετά τη θραύση. Τέλος, διαπιστώνεται ότι η καθαρή παροχή αιωρούμενου ιζήματος είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή του ιζήματος κλίνης. / The simulations are based on the coupled numerical solution of the flow equations (continuity and Navier-Stokes) with the transport equation for suspended sediment load subject to the fully nonlinear free-surface boundary conditions and appropriate bottom, inflow and outflow boundary conditions. The equations are properly transformed so that the computational domain becomes time-independent. A hybrid scheme is used for the spatial discretization with finite differences in the streamwise direction and a pseudospectral approximation with Chebyshev polynomials in the vertical direction. A fractional time-step scheme is used for the temporal discretization. We seek results for the behavior of the suspended sediment load induced by broken waves for different particle sizes of bed material. The aim is to identify critical particle sizes for strong uplift and transport of sediment.

Η μεσόμορφη κατάσταση είναι μια ενδιάμεση κατάστασή της ύλης μεταξύ στερεής και υγρής φάσης και περιλαμβάνει δύο μεγάλες κατηγορίες, την υγροκρυσταλλική και την περιστροφική φάση, στις οποίες παρατηρούνται ιεραρχημένες δομές υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Ανάλογη συμπεριφορά εμφανίζουν και τα ημιφθοριωμένα αλκάνια κατά το σχηματισμό κρυστάλλων σε στοιβάδες (λαμέλες) με μικρή ή μεγάλη τάξη στη μεσοφάση τους τα οποία έχουν μοριακό τύπο CmF2m+1CnH2n+1 και χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Ένα από αυτά τα αλκάνια είναι το F(CF2)12(CH2)12H ή αλλιώς F12H12, ένα γραμμικό δισυσταδικό μόριο για το οποίο έχει παρατηρηθεί ότι μεταπίπτει από μία μεσοφάση με δομή διστρωματικής λαμέλας σε μεσοφάση μικρότερης τάξης και δομής μονομοριακής λαμέλας καθώς η θερμοκρασία αυξάνει. Στη παρούσα εργασία, με τον ανασχεδιασμό ενός ατομιστικού αλγορίθμου Monte Carlo (MC) μελετήθηκε η μεσόμορφη κατάσταση του F12H12 και συγκεκριμένα στόχος ήταν η πρόβλεψη της αυτό-οργάνωσης του συστήματος στον κύριο όγκο (bulk system) και στην ενδιάμεση κατάστασή του. Όμως για να καταστεί εφικτή αυτή η μελέτη, ήταν αναγκαία η εύρεση από την διεθνή βιβλιογραφία ενός μοριακού μοντέλου, το οποίο θα μπορούσε να προβλέψει με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια τις ιδιότητές του υπό μελέτη συστήματος. Προς την κατεύθυνση αυτή, δοκιμάστηκαν τρία μοριακά μοντέλα με διαφορετικές παραμέτρους αλληλεπίδρασης των ατομιστικών μονάδων του μορίου. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων Monte Carlo δεν ήταν τα αναμενόμενα, σύμφωνα με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Η ιδέα της εφαρμογή της μεθόδου μοριακής δυναμικής για τη μελέτη της μεσόμορφης κατάστασης των F12H12 κρίθηκε απαραίτητη για την εξισορρόπηση του συστήματος σε εύλογο χρονικό υπολογιστικό διάστημα, αλλά και για τη χρήση της ως εργαλείο ελέγχου της αξιοπιστίας του αλγορίθμου MC και των μοριακών μοντέλων. Από τα αποτελέσματα προσομοιώσεων MD εξακριβώθηκε η ορθότητα του αλγορίθμου MC και προέκυψε το συμπέρασμα ότι τα εξεταζόμενα μοριακά μοντέλα αδυνατούν να προβλέψουν με ακρίβεια και επιτυχία τα πειραματικά δεδομένα, καθώς τουλάχιστον τα δύο από αυτά εντοπίζουν τη μετάβαση φάσης από την ισοτροπική στην μεσόμορφη κατάσταση μικρότερης τάξης σε διαφορετικές συνθήκες (μικρότερη θερμοκρασία, μεγαλύτερη πυκνότητα) από αυτές των πειραματικά μετρούμενων. Σε αυτές τις συνθήκες εφαρμόστηκε και η μέθοδος προσομοίωσης Monte Carlo η οποία δεν είχε την δυνατότητα να εξισορροπήσει το υπό μελέτη σύστημα σε μικρές θερμοκρασίες και να προβλέψει την μετάβαση φάσης. Σε κάθε περίπτωση θα ήταν εξαιρετικά ενδιαφέρουσα η περαιτέρω μελέτη του συστήματος F12H12. / Semifluorinated alkanes (SFAs) are diblock molecules, which consist of two immiscible and incompatible moieties, the perfluorinated segment (CF2)m and the hydrοgenated segment (CH2)n, which are covalently linked to form the copolymer with the general chemical structure F(CF2)m(CH2)nH, abbreviated as FmHn. The (CF2)m and (CH2)n segments have different conformation, as the first one adopts a twisted 15/7 helical structure, whereas the other prefers an all-trans zigzag conformation. Due to the incompatibility between the two segments and consequently their asymmetric structure, SFAs are capable of remarkable phenomena, such as structural transitions, formation of ordered structure and aggregations in non-polar solvents, influenced by the existence of significant dipole moment and surface activity. In spite of the absence of hydrophilic polar head group from the diblock, SFAs possess an amphiphilic character and form Langmuir monolayers at the air/water interface. Furthermore, because of their biocompatibility and their tendency to stabilize interfacial films and control properties of biological colloidal systems, they have been used as additional components in fluorocarbon-in-water emulsion applicants to artificial blood formulation, in phospholipid liposomes that act as drug delivery systems, in ophthalmology as endotamponades, in vitreoretinal surgery and in lung surfactant therapy. Despite the amply of studies as far as the structure and the behavior of solid state SFAs, the identification of phase transition structure has not clearly spelled out, but for some FmHn it has eventually been described as liquid crystalline or smectic phase. Experimental efforts to predict the solid state packing structures in the bulk and the phase state of SFAs, arising from the incommensurable cross-section of the two opposing moieties, with comparable segment lengths and especially for F12Hn compounds have attracted the scientific interest in the literature. DSC measurements indicate the existence of solid-solid phase transitions for F12Hn with n= 8, 10 and 12. Two different crystal packings with layered structure have been observed below the melting point of F12Hn by SAXS and electron density profiles. It is proposed that F12Hn chains with 8 ≤ n ≤ 14 form an antiparallel monolayer packing below their melting point and at lower temperature it follows the transformation to a tilted bilayer lamella, as the Bragg spacings are larger than the end-to-end distance of the individual molecules. For the same group of F12Hn, their phase is referred as a mesomorphic phase below the melting transition and it is described as a “smectic liquid crystalline phase”, whereas at the solid-solid transition the hydrogenated segment presents a fluidlike character. Semifluorinated alkane F(CF2)m(CH2)n with m=n=12 is a linear, symmetric diblock, that is abbreviated as F12H12. It exhibits interesting morphologies not only in the air/water interface, as it forms Langmuir monolayers consisting of “spherical cap” substructures with the orientation of the perfluorocarbon segment on the air1, but also in the bulk state. The DCS experiments and the thermodynamic pressure-volume temperature measurements proposed that the F12H12 system undergoes solid-solid transitions and especially favors two first order transitions. Brillouin spectroscopy, X-ray scattering studies and NMR experiments showed that F121H12 below its melting point exhibits phases that are denoted as layered smectic phases or lamellar phases. In particular, below Tm ~361-363K (melting point) a mesophase exists, whose structure is composed from a monolayer lamella in which hydrocarbon and perfluorinated segments display interdigitation. At lower temperatures (Ts ~351-353K) the system exhibits a denser solid phase that comprises of a fluorocarbon bilayer lamella with interdigitated hydrocarbon segments. In this present work, we report results of constant pressure atomistic molecular simulations, both using molecular dynamics and Monte Carlo methods and adopting a molecular united model, for predicting the phase transition and the solid bulk-phase assembly of F12H12 molecules. Furthermore, thermodynamic and structural properties are studied and thus the evaluation of the predictions obtained from the two methods is sought through comparison with the available experimental data.