Τα αυτό -οργανούμενα μονοστρωματικά συστήματα (self-assembled monolayers,
SAMs) παρουσιάζουν μεγάλο τεχνολογικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον καθώς προσφέρουν μοναδική ευκαιρία για την κατανόηση των διεπιφανειακών φαινομένων και των διεργασιών που σχετίζονται με αυτά. Ο έλεγχος των ιδιοτήτων διαβροχής και λίπανσης της επιφάνειας , η επιλεκτική ρόφηση διαφόρων ειδών μορίων (π .χ ., μεγάλων βιολογικών μορίων) για το σχηματισμό επιπρόσθετου
μονοστρώματος προς μία προεπιλεγμένη δομή (π.χ ., με συγκεκριμένο μοριακό προσανατολισμό), ο σχεδιασμός βιοαισθητήρων αλλά και άλλα παραδείγματα
αποτελούν μερικές μόνο από τις πιο διαδεδομένες εφαρμογές των SAMs. Στην
παρούσα εργασία εστιάσαμε στο πιο διαδεδομένο σύστημα SAM, αυτό που
δημιουργείται κατά τη ρόφηση μορίων αλκανοθειολών σε επιφάνεια χρυσού (R-SH/
Au(111)). Πιο συγκεκριμένα διερευνήσαμε τις δομικές ιδιότητες καθώς και τις
ιδιότητες διαμόρφωσης του σχηματιζόμενου μονοστρώματος με τη βοήθεια ενός
καινούργιου αλγορίθμου Monte Carlo (MC) που σχεδιάσαμε στο εργαστήριο, βασισμένου σ’ ένα ιδιαίτερα αποδοτικό μίγμα τόσο απλών όσο και πιο σύνθετων (συχνά μη φυσικών) κινήσεων για τη δειγματοληψία απεικονίσεων του συστήματος.
Η καινοτομία του αλγόριθμου MC συνίσταται στο ότι, ανεξάρτητα από την αρχική
απεικόνιση του συστήματος, έχει την ικανότητα να οδηγεί αποτελεσματικά όλα τα
μόρια της αλκανοθειόλης επάνω στο υπόστρωμα του χρυσού με αποτέλεσμα στο τέλος της προσομοίωσης αυτό να χαρακτηρίζεται από 100% επιφανειακή κάλυψη. Κατά τον τρόπο αυτό παρακάμπτεται ένας σημαντικός περιορισμός των
προηγούμενων μεθόδων , οι οποίες ουσιαστικά προ-υπέθεταν την αρχική απεικόνιση του συστήματος (στη βάση πειραματικών δεδομένων).
Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη ένα εκτεταμένο σύνολο αντιγράφων του συστήματος καθένα από τα οποία προσομοιώνεται σε μία διαφορετική τιμή της διαμέτρου van der Waals των ατόμων θείου, σss, και επιχειρώντας ανταλλαγές
απεικονίσεων μεταξύ συστημάτων με παρακείμενες τιμές σss, ο νέος αλγόριθμος μας
επέτρεψε να προσομοιώσουμε αποτελεσματικά πρότυπα συστήματα R-SH/Au(111)
για ένα φάσμα τιμών της παραμέτρου σss από 4.25 Å που αντιστοιχεί στο μοριακό
μοντέλο των Hautman-Klein [J. Chem. Phys., 1988; 1989] έως 4.97 Å που αντιστοιχεί
στο μοριακό μοντέλο των Siepmann-McDonald [Langmuir, 1993].
Η εφαρμογή του αλγορίθμου MC επεκτάθηκε ακολούθως σε συστήματα αλκανοθειολών ροφημένων σε διαφορετικά μεταλλικά υποστρώματα, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης του είδους της μεταλλικής επιφάνειας στις δομικές ιδιότητες
των συστημάτων SAMs. Προς την κατεύθυνση αυτή, αρχικά εκτελέστηκαν κβαντομηχανικοί υπολογισμοί ( ab initio calculations) για ένα μόριο μεθανοθειόλης ροφημένου σε επιφάνεια χρυσού, αργύρου ή πλατίνας και τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή ενός κλασσικού δυναμικού για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ θείου -μετάλλου. Με το δυναμικό αυτό διεξήχθησαν
στη συνέχεια ατομιστικές προσομοιώσεις MC για διάφορα μοριακά μήκη συστημάτων SAMs R-SH και στη συνέχεια έγινε ανάλυση των δεδομένων, με έμφαση στην εξάρτηση των δομικών ιδιοτήτων του σχηματιζόμενου φιλμ (μοριακός προσανατολισμός, διαμόρφωση αλυσίδων και στατιστική των ατελειών gauche)
από τη φύση του μεταλλικού υποστρώματος.
Στο τελευταίο στάδιο της διατριβής εστιάσαμε στη μελέτη της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης Tg ισότροπων συστημάτων αλλά και λεπτών υμενίων πολυαιθυλενίου (PE) με τις αλυσίδες εμφυτευμένες σε σκληρή, ενθαλπικά ουδέτερη επιφάνεια και σχετικά μεγάλη πυκνότητα εμφύτευσης. Για το λόγο αυτό επεκτάθηκε η μεθοδολογία προσομοίωσης MC σε χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στο ή ακόμα
και χαμηλότερα από το σημείο Tg) χρησιμοποιώντας την πολύ δραστική κίνηση MC
αναγεφύρωσης άκρων (end-bridging, EB). Τα δεδομένα της προσομοίωσης για την
εξάρτηση της πυκνότητας και της ενθαλπίας από την θερμοκρασία χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης, με το αποτέλεσμα να συμφωνεί σχεδόν επακριβώς με την αντίστοιχη πειραματική τιμή για ημικρυσταλλικό πολυαιθυλένιο στο όριο μηδενικού βαθμού
κρυσταλλικότητας (προβλεπόμενη τιμή Tg μεταξύ 220 και 240 Κ). / Self-assembled monolayers (SAMs) find numerous applications in a variety of fields: in the production of thin films from organic materials, in optics and electronics, as means for controlling the hydrophobic or hydrophilic behavior of a surface, as coatings for the
protection of surfaces from corrosion, in molecular recognition, and more recently even
as biosensors. In an effort to understand the mechanisms and interactions controlling
chain organization and packing in these systems and how these affect their macroscopic properties, the present thesis has focused on the development of a Monte Carlo (MC) algorithm, built around a set of simpler but also more complex (sometimes non-physical) moves, for the atomistic simulation of the SAM structures formed by the adsorption of short alkanethiol molecules on a Au(111) surface. The innovation of the MC algorithm is that it is capable of efficiently driving all alkanethiol molecules to the Au(111), thereby leading to full surface coverage, irrespective of the initial setup
of the system. This circumvents a significant limitation of previous methods in which the simulation typically starts from optimally packed structures on the substrate that are close to thermal equilibrium. Further, by considering an extended ensemble of configurations each one of which corresponds to a different value of the sulphur-sulphur repulsive core potential, σ ss , and by allowing for configurations to swap between different σ ss values, the new algorithm can adequately simulate model R-SH/ Au(111) systems for values of σ ss ranging from 4.25 Å corresponding to the Hautman-Klein molecular model [J. Chem. Phys., 1988; 1989] to 4.97 Å
corresponding to the Siepmann-McDonald model [Langmuir, 1993]. A thorough investigation of the variation of molecular organization and ordering on the Au(111)substrate with chain length is presented.
In a parallel study, the MC method was extended to alkanethiol SAM systems
on different metal surfaces. This has allowed us to perform a detailed investigation of the substrate’s effect on the structure and conformation of the above systems through atomistic MC simulations based on a first-principles density functional modeling of the sulphur-metal interaction. Ab initio calculations on a methanethiol molecule adsorbed on gold, silver and platinum surfaces were conducted and the data obtained were used to develop an accurate classical force field which served as an input to the new MC algorithm. Emphasis was given primarily to the study of the effect of the substrate on the structural properties of the simulated R-SH SAM systems, like molecular orientation, molecular conformation, and statistics of gauche defects.
In the last part of this thesis, and in an attempt to investigate the phenomenon
of glass transition ( Tg ), the MC algorithm was employed in simulations with a less
complex, than the SAM structures, system, that of amorphous polyethylene (PE). Two
sets of simulations were executed: one with a bulk, isotropic sample, and the other
with a thin film in which all PE chains were grafted on a hard surface on the one side
and exposed to vacuum on the other. In all cases, the simulations were carried out for
very long times in order for the autocorrelation function of the chain end-to-end vector to drop practically to zero. For both systems, the value of the glass transition temperature Tg was extracted using volumetric and enhtalpic simulation data and it was found to be between 220 and 240K, i.e., in remarkable agreement with measured data for semicrystalline PE in the limit of zero crystallinity. Additional results about the temperature dependence of the conformational (e.g., the equilibrium mean-square chain end-to-end distance) and structural (e.g., the intermolecular pair distribution function) properties in the two PE systems were also obtained and discussed in detail.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/704 |
| Date | 12 February 2008 |
| Creators | Αλεξιάδης, Ορέστης |
| Contributors | Μαυραντζάς, Βλάσιος, Alexiadis, Orestis, Μαυραντζάς, Βλάσιος, Γαλιώτης, Κωνσταντίνος, Κοσμάς, Μάριος, Τσαμόπουλος, Ιωάννης, Τσιτσιλιάνης, Κωνσταντίνος, Κέννου, Στυλιανή, Τερζής, Ανδρέας |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Relation | Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0034 seconds