Υπολογιστική μελέτη τασιενεργών ουσιών μέσω αδροποιημένων προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής στο μεσοσκοπικό επίπεδο

Χαραλαμποπούλου, Ερμιόνη; Charalampopoulou, Ermioni

dc.contributor.author	Χαραλαμποπούλου, Ερμιόνη	el
dc.contributor.author	Charalampopoulou, Ermioni	en
dc.date.accessioned	2022-01-20T10:08:08Z
dc.date.available	2022-01-20T10:08:08Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54384
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22082
dc.rights	Default License
dc.subject	Μοριακή δυναμική	el
dc.subject	Τασιενεργά	el
dc.subject	Αδροποιημένες προσομοιώσεις	el
dc.subject	Μεσοσκοπικό επίπεδο	el
dc.subject	Πεδίο δυνάμεων Martini	el
dc.subject	Molecular Dynamics	en
dc.subject	Surfactants	en
dc.subject	Coarse-grain simulations	en
dc.subject	Mesoscopic level	en
dc.subject	Martini forcefield	en
dc.title	Υπολογιστική μελέτη τασιενεργών ουσιών μέσω αδροποιημένων προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής στο μεσοσκοπικό επίπεδο	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Προσομοίωση	el
heal.classification	Επιστήμη υλικών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-05
heal.abstract	Οι τασιενεργές ή επιφανειακώς ενεργές ουσίες (surfactants) είναι αμφίφιλα μόρια που αποτελούνται από υδρόφοβες και υδρόφιλες ομάδες. Όταν μια τασιενεργή ουσία προστεθεί σε ένα υδατικό διάλυμα, τείνει να υποβαθμίσει την επιφανειακή του τάση, επειδή οι μεν υδρόφοβες ομάδες προσπαθούν να δραπετεύσουν από το εσωτερικό μέρος του διαλύματος μετακινούμενες προς την επιφάνειά του, ενώ οι υδρόφιλες ομάδες είναι διαλυτές στο νερό. Η συμπεριφορά αυτή αιτιολογεί τις ποικίλες εφαρμογές των τασιενεργών στα απορρυπαντικά, τα προϊόντα ατομικής υγιεινής, τα καλλυντικά και τα τρόφιμα. Πέραν μιας κρίσιμης συγκέντρωσης, που είναι γνωστή ως κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης (critical micelle concentration, cmc) τα τασιενεργά μόρια εντός υδατικών διαλυμάτων αρχίζουν να δημιουργούν συσσωματώματα, τα μικκύλια. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις αυτο-οργανώνονται σε ποικίλες μικροφάσεις όπως εξαγωνικές, κυβικές, φυλλίδια κ.ά., δημιουργώντας έτσι αρκετά πλούσια διαγράμματα φάσεων. Κύριο αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της δομής, η εκτίμηση διαφόρων φυσικοχημικών ιδιοτήτων, αλλά και η πρόβλεψη διαγραμμάτων φάσεων υδατικών διαλυμάτων τασιενεργών ουσιών μέσω αδροποιημένων (coarse-grained) προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής στο μεσοσκοπικό επίπεδο. Τα τασιενεργά που θα μελετηθούν στην παρούσα διπλωματική εργασία ανήκουν στην κατηγορία των ανιοντικών τασιενεργών και συγκεκριμένα στην οικογένεια του SDS (Sodium Dodecyl Sulfate). Για τη δημιουργία αρχικών αδροποιημένων απεικονίσεων εφαρμόζεται το πεδίο δυνάμεων Martini, και με τις δύο εκδοχές του: η εκδοχή του κατά την οποία απουσιάζει ο διαλύτης, Dry Martini, για προσομοιώσεις σε χαμηλές συγκεντρώσεις, καθώς και η εκδοχή παρουσία διαλύτη, Wet Martini, για προσομοιώσεις σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Στο μοντέλο αυτό υιοθετείται μια αντιστοίχιση (mapping) ατόμων τεσσάρων προς ένα, δηλαδή κατά μέσο όρο τέσσερα βαρύτερα του υδρογόνου άτομα και τα υδρογόνα που συνδέονται με αυτά συνιστούν ένα αδροποιημένο κέντρο 5 αλληλεπίδρασης. Με τις αντιστοιχίσεις αυτές μειώνεται δραστικά ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας ενός συστήματος, γεγονός που επιτρέπει την προσομοίωση μεγαλύτερων κλιμάκων μήκους και χρόνου. Αρχικά πραγματοποιείται λεπτομερής ατομιστική κατασκευή των προς μελέτη συστημάτων, χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό πακέτο MAPS (Materials and Process Simulation) της εταιρείας Scienomics. Κατόπιν γίνεται αντιστοίχιση των ατομιστικών απεικονίσεων στα αδροποιημένα κέντρα αλληλεπίδρασης που υποδεικνύουν τα αντίστοιχα πεδία δυνάμεων. Ακολουθούν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής μέσω των οποίων εξισορροπούνται τα υπό μελέτη συστήματα, εκτιμώνται οι επιθυμητές φυσικοχημικές ιδιότητες και κατασκευάζονται τα αντίστοιχα διαγράμματα φάσεων, αλλά και μελετάται η εξάρτηση αυτών από το μήκος των υδρόφοβων ομάδων.	el
heal.abstract	Surfactants are amphiphilic molecules that consist of hydrophobic and hydrophilic groups. When added to an aqueous solution, they tend decrease the surface tension of the solution because their hydrophobic tails try to escape the inner part of the solution, moving up to its surface, while their hydrophilic heads are soluble in the solvent. This behavior explains the multiple uses of surfactants in detergents, personal hygiene products, cosmetics and foods. One of the most important thermodynamic quantities which is crucial in the design of new surfactants is the well-known critical micelle concentration (cmc). It is defined as the concentration above which surfactants aggregate and form so- called micelles. At higher concentrations micelles tend to self-organize and form various phases such as hexagonal, cubic, lamellar etc., displaying rich phase diagrams. The target of the present diploma thesis is the study of the structure, the estimation of various physicochemical properties, and also the prediction of phase diagrams of aqueous solutions of surfactants through coarse-grained molecular dynamics simulations at the mesoscopic level. The surfactants that will be studied belong to the category of anionic surfactants, and specifically to the SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) family. To create initial coarse-grained configurations, the Martini forcefield is applied, in its two versions: its implicit solvent version, called Dry Martini, for the simulations at low concentrations, and its explicit solvent version, called Wet Martini, for higher concentrations. This model adopts a four to one mapping method, i.e., on the average four heavier than hydrogen atoms, along with the hydrogens attached to them, are lumped into a single interaction site (bead). This mapping drastically reduces the number of degrees of freedom of a system, which allows simulating over larger scales of time and length. In the beginning, detailed individual simulation boxes representing the systems under study are constructed, using the software MAPS (Materials And Process Simulation), provided by Scienomics. The atomic representations are then mapped to the course-grained beads indicated by the forcefield. Molecular dynamics simulations follow to equilibrate the systems fully, the desired physicochemical properties are evaluated, the corresponding phase diagrams are constructed, and their dependence on the length of the hydrophobic tails is studied. Lastly, the results found in this study are evaluated using experimental data.	en
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κυρανούδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	95 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false