Στις τελευταίες δεκαετίες η σμίκρυνση (miniaturization) έχει αποτελέσει ένα σημαντικό παράγοντα στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Ένας από τους κύριους στόχους της μέσω της μικρομηχανικής (micro-engineering) είναι η παραγωγή ολοκληρωμένων Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικών Συστημάτων (MEMS), τα οποία χρηςιμοποιούνται σήμερα ως υποσυστήματα σε πάρα πολλές εφαρμογές. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι ο παράλληλος χειρισμός καθώς και η ανοιχτού βρόχου/άνευ αισθητήρων συναρμολόγηση μικροαντικειμένων χωρίς τη χρήση μικροβραχιόνων. Για το σκοπό αυτό η έρευνα επικεντρώθηκε σε τέσσερις διαφορετικές διαδικασίες/προσεγγίσεις: α) το μικροχειρισμό με τρισδιάστατα πεδία δυνάμεων, β) το μικροχειρισμό με προγραμματιζόμενα πεδία δυνάμεων στο επίπεδο, γ) το χειρισμό μικροαντικειμένων έγκλειστων σε σταγόνες υγρού και δ) την αυτοσυναρμολόγηση μικροαντικειμένων με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. / In the last decades, miniaturization has become an important factor in the development of technology. One of its main objectives through the discipline of micro-engineering is the production of integrated Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), which are currently used as sub-systems in many applications. The target of this thesis is the parallel manipulation and the open-loop/sensorless assembly of microparts without the use of microrobots. For this purpose, the research was focused on four different procedures: a) micromanipulation with 3D force fields, b) micromanipulation with programmable force fields on a plane, c) manipulation of microparts enclosed in a droplet of liquid and d)self-assembly of microparts with electrostatic forces.

Οι ζεόλιθοι ανήκουν στα νανοπορώδη υλικά ή αλλιώς και μοριακά κόσκινα. Βρίσκουν δε εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών, καλύπτοντας ένα μεγάλο θερμοκρασιακό φάσμα. Η γνώση της απόκρισής τους κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας είναι καθοριστικής σημασίας για την αποδοτικότητά τους, ακόμα περισσότερο όταν εμφανίζονται ανώμαλα φαινόμενα, όπως αρνητικός συντελεστής θερμικής διαστολής. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ερμηνεία αυτού του φαινομένου με την χρήση προσομοιώσεων και πειραμάτων σκέδασης ακτίνων Χ. Ένα νέο πεδίο δυνάμεων αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε προσομοιώσεις δυναμικής πλέγματος, όπου για πρώτη φορά προβλέπεται η συστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του σιλικαλίτη, όπως και η διαστολή της μοναδιαίας κυψελίδας του αργιλοπυριτικού φωγιασίτη (NaX) πάνω από την θερμοκρασία δωματίου. Περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει πως υπεύθυνες για την συστολή κατά την θέρμανση είναι οι περιστροφές των τετραέδρων SiO4 και AlO4 από τα οποία απαρτίζεται η δομή. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τον μηχανισμό των περιστροφών άκαμπτων μονάδων που προτείνεται στην βιβλιογραφία (R.U.M.). Στη συνέχεια υπολογίζονται μηχανικές ιδιότητες του υλικού, όπως το μέτρο Young και το μέτρο ελαστικότητας όγκου. Τέλος μελετήθηκε η απόκριση της δομής των ζεολίθων σε ερεθίσματα πέραν της θερμοκρασίας, όπως μεταβολή πίεσης και ρόφηση μορίων. Χαρακτηριστικά καταλήγουμε πως η δομή αποκρίνεται στην άσκηση της πίεσης μέσω του ίδιου μηχανισμού που καθορίζει της θερμοκρασιακή της απόκριση, δηλαδή τις περιστροφές των άκαμπτων ή σχεδόν άκαμπτων τετραέδρων. Επίσης, σε ό, τι αφορά την επίδραση της ρόφησης, η παρουσία των μορίων εξανίου, παρόλο επιφέρει δομικές αλλαγές που βελτιώνουν την αποδοτικότητα των ζεολιθικών μεμβρανών, αυτές οι αλλαγές δεν επηρεάζουν τις ροφητικές ιδιότητες στο εσωτερικό του κρυστάλλου. / Zeolites are nanoporous materials, otherwise called molecular sieves. The knowledge of the response of a zeolite structure to temperature changes or to the presence of host molecules in the pore system is of critical significance for the performance of zeolites as molecular sieves, especially if they are prepared in the form of membranes. Crack formation or grain boundary openings may appear between the substrate and the membrane due to a mismatch between the thermal expansion coefficient of the two materials, affecting the sorption and selectivity properties of the membrane. The problem is enhanced when the zeolite shows negative thermal expansion coefficient. The present work focuses in the mechanism that lies behind contraction upon heating, with the use of simulations and powder XRD experiments. A new force field was developed and was implemented in lattice dynamics simulations. It’s the first time that simulations predict the contraction of silicalite unit cell as well as the expansion of aluminosilicate faujasite (NaX) unit cell above room temperature. Further analysis of the simulation data shows that the Rigid Unit Mode (R.U.M.) mechanism that is proposed in the literature is the dominant mechanism of thermal contraction of the zeolite. Furthermore, mechanical properties such as Young modulus and bulk modulus were computed with the use of the newly derived force field. Finally, the response of framework upon pressure change and sorption of molecules was investigated. The zeolite structure response upon pressure change is similar to this of the temperature response, meaning that the volume and atomic positions change with the help of the rotations of the rigid AlO2/SiO2 tetrahedra. Concerning the response upon sorption, is was found with the help of theoretical calculations that although unit cell size variations that are induced by temperature changes and/or sorption may affect the efficiency of silicalite-1 membrane performance through alteration of the size of the non-zeolitic pores, such changes appear to affect negligibly the bulk sorption capacity of the silicalite-1 crystals.

The present Doctoral Thesis focuses on the investigation, characterization and influence of polyacrylic materials in different scientific and technological disciplines via a detailed computer simulation using the Molecular Dynamics (MD) technique, in conjunction with the very accurate, all-atom Dreiding force-field. The main research concepts and objectives are discussed and analyzed in three separate parts. In the first part, atomistic configurations of two model pressure-sensitive acrylic adhesives (PSAs), the atactic homopolymer poly(n-BA) [poly(n-butyl acrylate)] and the atactic copolymer poly(n-BA-co-AA) [poly(n-butyl acrylate-co-acrylic acid)] in the bulk phase or confined between two selected substrates, glassy silica (SiO2) and metallic α-ferrite (α-Fe), were built and simulated by MD in the NPT statistical ensemble. First, an equilibration cycle consisting of temperature annealings and coolings was followed, in order to generate well-equilibrated configurations of the PSA systems. Detailed results from the atomistic simulations are presented concerning their volumetric behavior, glass transition temperature, conformational, structural, viscoelastic and dynamic properties. Particular emphasis was given to the analysis and characterization of the hydrogen bonds that form in the poly(n-BA-co-AA) system. By analyzing the MD trajectories, poly(n-BA-co-AA) was found to exhibit a higher density than poly(n-BA) by about 7% at all temperatures, to be characterized by smaller-size chains for a given molecular weight (MW), to exhibit significantly slower terminal and segmental dynamics properties, and to be characterized by a glass transition temperature that was approximately 40% higher than that of poly(n-BA). We also examined the type and degree of adsorption of the two acrylic systems on the selected substrates by analyzing the MD results for the local mass density as a function of distance from the solid plane and the distribution of adsorbed chain segments in train, loop, and tail conformations, and by computing the work of adhesion at the two substrates. The results revealed a stronger adsorption for both acrylics on the SiO2 surface due to highly attractive interactions between polymer molecules and substrate atoms, and as a consequence a higher value for the work of adhesion compared to that on the α-Fe surface. Furthermore, we have developed a generalized non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) algorithm to simulate the mechanical response of the two adhesives under a uniaxial stretching deformation. In the second part of the Thesis, results have been obtained from a hierarchical simulation methodology that led to the prediction of the thermodynamic, conformational, structural, dynamic and mechanical properties of two polymer nanocomposites based on syndiotactic poly(methyl methacrylate) or sPMMA. The first was reinforced with uniformly dispersed graphene sheets and the second with fullerene particles. How graphene functionalization affects the elastic constants of the resulting nanocomposite has also been examined. The phase behavior of the nanocomposite (in particular as we varied the relative size between the sPMMA chains and the diameter of fullerene molecules) has also been studied as a function of fullerene volume fraction. The simulation strategy entailed three steps: 1) Generation of an initial structure, which was then 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. 2) Gradual cooling of selected configurations down to room temperature to obtain a good number of structures representative of the glassy phase of the polymer nanocomposite. 3) Molecular mechanics (MM) calculations of its mechanical properties following the method originally proposed by Theodorou and Suter. By analyzing the results under constant temperature and pressure, all nanocomposite systems were found to exhibit slower terminal and segmental relaxation dynamics than the pure polymer matrices. The addition of a small fraction of graphene sheets led in all cases to the enhancement of the elastic constants; this was significantly more pronounced in the case of functionalized graphene sheets. We further mention that, for all polymer/fullerene nanocomposites addressed here, no phase separation or variation of polymer chain dimensions was observed as a function of fullerene size and/or fullerene volume fraction. In the third part of the Thesis, and motivated by the use of acrylic polymers for the design of membranes with aligned carbon nanotubes (CNTs) for several separation technologies (such as water desalination and wastewater treatment), we report results from a detailed computer simulation study for the nano-sorption and mobility of four different small molecules (water, tyrosol, vanillic acid, and p-coumaric acid) inside smooth single-wall CNTs (SWCNTs). Most of the results have been obtained with the molecular dynamics (MD) method, but especially for the most narrow of the CNTs considered, the results for water molecule were further confirmed through an additional Grand Canonical (μVT) Monte Carlo (GCMC) simulation using a value for the water chemical potential μ pre-computed with the particle deletion method. Issues addressed in the Thesis include molecular packing and ordering inside the nanotube for the four molecules, average number of sorbed molecules per unit length of the tube, and mean residence time and effective axial diffusivities, all as a function of tube diameter and tube length. In all cases, a strong dependence of the results on carbon nanotube diameter was observed, especially in the way the different molecules are packed and organized inside the CNT. For water for which predictions of properties such as local structure and packing were computed with both methods (MD and GCMC), the two sets of results were found to be fully self-consistent for all types of SWCNTs considered. Water diffusivity inside the CNT (although, strongly dependent on the CNT diameter) was computed with two different methods, both of which gave identical results. For large enough CNT diameters (larger than about 13 Å), this was found to be higher than the corresponding experimental value in the bulk by about 55%. Surprisingly enough, for the rest of the (phenolic) molecules simulated in this Thesis, the simulations revealed no signs of mobility inside nanotubes with a diameter smaller than the (20, 20) tube. This has been attributed to strong phenyl-phenyl attractive interactions, also to favorable interactions of these molecules with the CNT walls, which cause them to form highly ordered, very stable structures inside the nanotube, especially under strong confinement. The interaction, in particular, of the methyl group (present in tyrosol, vanillic acid, and p-coumaric acid) with the CNT walls seems to play a key role in all these compounds causing them to remain practically immobile inside nanotubes characterized by diameters smaller than about 26 Å. It was only for larger-diameter CNTs that tyrosol, vanillic acid, and p-coumaric acid were observed to demonstrate appreciable mobility. / Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στη μελέτη της σχέσης μεταξύ δομής και μακροσκοπικών φυσικών ιδιοτήτων υλικών από πολυακρυλικά μέσω μίας λεπτομερούς προσομοίωσης στον υπολογιστή με τη μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής (ΜΔ), σε συνδυασμό με ένα πολύ επακριβές πεδίο δυνάμεων (το Dreiding) σε ατομιστική λεπτομέρεια. Οι κύριες ερευνητικές έννοιες καθώς και οι στόχοι συζητιούνται και αναλύονται σε τρία ξεχωριστά μέρη. Στο πρώτο μέρος, ατομιστικές απεικονίσεις δύο προτύπων πίεσο-ευαίσθητων συγκολλητικών υλικών (acrylic pressure sensitive adhesives ή PSAs), του ατακτικού πολυ-βουτυλικού-ακρυλικού εστέρα (poly(n-BA)) και του συμπολυμερούς του με ακρυλικό οξύ (poly(n-BA-co-AA)), τόσο μακριά όσο και κοντά σε υποστρώματα σίλικας (SiO2) και α-φερρίτη (α-Fe), μελετήθηκαν στη βάση ενός φάσματος ιδιοτήτων (θερμοδυναμικές, δομικές, ιξωδοελαστικές, δυναμικές, και συγκολλητικές), όπως και η μηχανική τους απόκριση υπό συνθήκες μονοαξονικής εκτατικής παραμόρφωσης. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από μία ιεραρχική μεθοδολογία προσομοίωσης που οδήγησε στην πρόβλεψη της φασικής συμπεριφοράς και των μηχανικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών (polymer nanocomposites ή PNCs) βασισμένων στο συνδιοτατκτικό πολυ-μεθακρυλικό μεθυλεστέρα (syndiotactic poly(methyl methacrylate) ή sPMMA), ενισχυμένο με ομοιόμορφα διεσπαρμένα φύλλα γραφενίου (graphene sheets) ή σωματίδια φουλερενίου (fullerene particles). Στο τρίτο μέρος, υποκινούμενοι από τη χρήση των ακρυλικών πολυμερών στο σχεδιασμό μεμβρανών με ενσωματωμένους ευθυγραμμισμένους νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΑ, carbon nanotubes ή CNTs) σε διάφορες τεχνολογίες διαχωρισμού μορίων (με έμφαση στον καθαρισμό του νερού), παρουσιάζουμε αποτελέσματα από προσομοιώσεις, για τη νανο-ρόφηση και την κινητικότητα τεσσάρων διαφορετικών μικρών μορίων (water, tyrosol, vanilic acid, και p-coumaric acid) στο εσωτερικό λείων μονο-στρωματικών ΝΑ (single-wall CNTs ή SWCNTs). Τα θέματα που εξετάζονται περιλαμβάνουν τη μοριακή διευθέτηση και τη διάταξη στο εσωτερικό Ν.Α. των τεσσάρων μορίων, το μέσο χρόνο παραμονής τους, καθώς και τους αξονικούς συντελεστές διάχυσής του, συναρτήσει της διαμέτρου και του μήκους των ΝΑ.