Computational analysis on physical properties of materials

Abstract

Τhe focus of this Ph.D. thesis is the scientific software NanoMaterialsCAD which I designed and developed for this Ph.D. The main function of the software is to create and manipulate crystalline structures such as nanoparticles, 2D materials, point defects, randomized structures and more. Furthermore, it excels in creating big data sets for further use in machine-learning processes. The code is open source under AGPL 2.0 license, written in C++ and OpenGL. The structures are meant to be used in molecular dynamics and ab initio calculations. In this thesis we introduce NanoMaterialsCAD, and we analyze its functionality in detail. We also present four studies from deferent fields of science in which we used this software to prepare our simulations, which shows the variety of the program’s utility. The four projects namely are a) the charge transfer of Pd nanoparticles on Mg and MgO substate, b) parameterizing a machine-learning interatomic potential for W-Mo random alloy, c) heat management using 2D nanopatterned MoS2 and, d) pharmaceutical sildenafil nanoparticles using polymer stabilizers. The first study is a project on electrocatalytic Pd nanoparticles, in which we investigated the capabilities of electrocatalysis through electron transfer simulations. The system behaved as single-isolated nanoparticle electrode, a state-ofthe-art project and a comprehensive study for electrocatalysis on isolated nanoparticles. Furthermore, we studied the effects of oxidation on deactivation of electrocatalysis sites. For the second project, we trained a machine-learning interatomic potential for W-Mo random alloy, explored the effects of alloying on threshold displacement energy, validated the potential, and tested its transferability on various W-Mo crystals. Among other things, we explain the process of preparing and choosing an appropriate training set. For the third project, we studied the effects of nanopatterned MoS2 on in-plane heat transfer. Using a focused ion beam we created periodic cavities on a thin-film MoS2 and fabricated thermal management devices in the way of thermal insulators and heat guiding patterns. For the fourth and final study, we simulated the interaction energy between three polymer-stabilizers and various surfaces of sildenafil. In this manner, we detected the most suitable stabilizer candidate to avoid aggregation of sildenafil nanoparticles. This pharmaceutical product will allow an increased dissolution rate, increased bioavailability and hence, making the product available for population with hepatic impairment, for which sildenafil would otherwise be prohibited. For all those projects we simulated the structures by using density functional theory and classical molecular dynamics. Before diving into the main work of this Ph.D. project, first we will introduce the computational methodologies that were used and include a short introduction to nanoparticles modeling.

Το επίκεντρο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και παρουσίαση του επιστημονικού λογισμικού NanoMaterialsCAD το οποίο σχεδίασα και προγραμμάτισα για αυτή τη διατριβή. Η κύρια λειτουργία του λογισμικού είναι να δημιουργεί και να χειρίζεται κρυσταλλικές δομές όπως νανοσωματίδια, δισδιάστατα υλικά, σημειακά ελαττώματα, τυχαιοποιημένες δομές και άλλα. Επιπλέον, υπερέχει στη δημιουργία μεγάλου όγκου δεδομένων για την περαιτέρω χρήση τους σε διαδικασίες μηχανικής μάθησης. Ο κώδικας είναι ανοιχτού τύπου με άδεια AGPL 2.0, γραμμένος σε C++ και OpenGL. Οι δομές προορίζονται για χρήση σε μοριακή δυναμική και υπολογισμούς πρώτων αρχών. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε το NanoMaterialsCAD και αναλύουμε λεπτομερώς τις λειτουργίες του. Παρουσιάζουμε επίσης τέσσερις μελέτες από διαφορετικούς τομείς της επιστήμης στις οποίες χρησιμοποιήσαμε αυτό το λογισμικό για να προετοιμάσουμε τις προσομοιώσεις μας, κάτι που δείχνει την ποικιλία της χρησιμότητας του προγράμματος. Τα τέσσερα έργα συγκεκριμένα είναι α) μεταφορά φορτίου νανοσωματιδίων Pd σε υπόστρωμα Mg και MgO, β) παραμετροποίηση δυναμικού μηχανικής εκμάθησης για τυχαίο κράμα W-Mo, γ) διαχείριση θερμότητας χρησιμοποιώντας 2D νανοπορώδες MoS2 και, δ) φαρμακευτικά νανοσωματίδια σιλδεναφίλης με χρήση σταθεροποιητές πολυμερών. Η πρώτη μελέτη είναι ένα έργο για ηλεκτροκαταλυτικά νανοσωματίδια Pd, στο οποίο μελετήσαμε τις δυνατότητες ηλεκτροκατάλυσης μέσω προσομοιώσεων μεταφοράς φορτίου. Το σύστημα συμπεριφέρεται ως ηλεκτρόδιο μεμονωμένου νανοσωματιδίου, ένα state-of-the-art έργο και μια ολοκληρωμένη μελέτη για ηλεκτροκατάλυση με απομονωμένα νανοσωματίδια. Επιπλέον, μελετήσαμε τις επιδράσεις της οξείδωσης στην απενεργοποίηση των θέσεων ηλεκτροκατάλυσης. Για το δεύτερο έργο, εκπαιδεύσαμε ένα δυναμικό μηχανικής εκμάθησης για κράμα τυχαίων θέσεων W-Mo, εξερευνήσαμε τις επιπτώσεις του κράματος στην ενέργεια μετατόπισης των ατόμων, επικυρώσαμε την σωστή λειτουργία του δυναμικού και δοκιμάσαμε τη δυνατότητα μεταφοράς του σε διάφορους κρυστάλλους W-Mo. Μεταξύ άλλων, εξηγούμε τη διαδικασία προετοιμασίας και επιλογής κατάλληλης βάσης δεδομένων για την εκμάθηση του δυναμικού. Για το τρίτο έργο, μελετήσαμε τις επιπτώσεις του νανοπορώδους MoS2 στη μεταφορά θερμότητας εντός επιπέδου. Χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη ιόντων δημιουργήσαμε περιοδικές οπές σε λεπτή μεμβράνη MoS2 και κατασκευάσαμε συσκευές θερμικής διαχείρισης με σκοπό την θερμική μόνωση και την καθοδήγησης θερμότητας μέσω μοτίβων. Για την τέταρτη και τελευταία μελέτη, προσομοιώσαμε την ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ τριών πολυμερών-σταθεροποιητών και διαφόρων επιφανειών της σιλδεναφίλης. Με αυτόν τον τρόπο, εντοπίσαμε τον καταλληλότερο υποψήφιο για σταθεροποιητή για την αποφυγή συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων σιλδεναφίλης. Αυτό το φαρμακευτικό προϊόν θα επιτρέψει τον αυξημένο ρυθμό απορρόφησης, την αυξημένη βιοδιαθεσιμότητα και ως εκ τούτου, καθιστά το προϊόν διαθέσιμο για πληθυσμό με ηπατική δυσλειτουργία, για τον οποίον διαφορετικά θα απαγορευόταν η χρήση της σιλδεναφίλης. Για αυτά τα έργα προσομοιώσαμε τις δομές χρησιμοποιώντας την συναρτησιακή θεωρία πυκνότητας και την κλασική μοριακή δυναμική. Πριν παρουσιάσουμε το κύριο έργο αυτής της διατριβής, πρώτα θα αναφέρουμε τις υπολογιστικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και θα συμπεριλάβουμε μια σύντομη εισαγωγή στη μοντελοποίηση των νανοσωματιδίων.