Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Theory and molecular simulations of functional liquid crystalline dendrimers (LCDrs)
Other Titles: Θεωρία και υπολογιστικές προσομοιώσεις λειτουργικών δενδρόμορφων πολυμερών
Authors: Workineh, Zerihun
Issue Date: 2015-05-07
Keywords: Liquid crystal dendrimers
Surface alignment
Self assembly of dendrimers
Self organisation of dendrimers
Modeling of dendrimers
Monte Carlo simulations
Surface confinement of dendrimers
Janus dendrimers
Keywords (translated): Δενδριμερή
Υγροκρυσταλλικά δενδριμερή
Μοντελοποίηση δενδριμερών
Επαγόμενος προσανατολισμός
Δενδριμερή τύπου
Αυτοοργανωση δενδριμερών
Αυτοσυναρμολόγηση δενδριμερών
Προσομοίωση Monte Carlo
Abstract: Dendrimers are a class of monodisperse polymeric macromolecules with a well defined and highly branched three-dimensional architecture. Their well-defined structure and structural precision makes them outstanding candidates for the development of new types of multifunctional super-molecules and materials with applications in medicine and pharmacy, catalysis, electronics, optoelectronics, etc. Liquid Crystalline Dendrimers (LCDrs) are a relatively new class of super-molecules which are based on the functionalization of common dendrimers with mesogenic (liquid crystalline) units. The combination of the fascinating molecular properties of the common dendrimers with the directionality of the mesogenic units have produced a novel class of liquid crystal forming super-mesogens (LCDRs) with unique molecular properties that allow novel ways of supramolecular self-assembly and self-organisation. This work is mainly concerned with the computational modelling of LCRs. A coarse grain strategy is adopted for the development of computational tractable models which take explicitly into account the specific architecture, the extended flexibility and the shape anisotropy of the mesogenic units of LCDRs. The developed force field applies easily to a variety of dendritic architectures. Utilizing Monte Carlo computer simulations we study the structural and conformational behavior of single LCDrs and of systems of LCDrs either in confined geometries or in the bulk. Special emphasis is given on the modeling of the response of LCDRS on externally applied alignment fields. External fields might be fictitious aligning potentials which mimic electric or magnetic fields or fields induced by the confining substrates. The surface alignment of liquid crystalline dendrimers (LCDrs) is a key factor for many of their potential applications. We present results from Monte Carlo simulations of LCDrs adsorbed on flat, impenetrable aligning substrates. A tractable coarse-grained force field for the inter-dendritic and the dendrimer-substrate interactions is introduced. The developed force field is based on modifications of well-known interaction potentials that can be used either with MC or with molecular dynamics simulations. We investigate the conformational and ordering properties of single, end-functionalized LCDrs under homeotropic, random (or degenerate) planar and nidirectional planar aligning substrates. Depending on the anchoring constrains to the mesogenic units of the LCDr and on temperature, a variety of stable ordered LCDr states, differing in their topology, are observed and analyzed. The influence of the dendritic generation and core functionality on the surface-induced ordering of the LCDrs are examined. The study has been extended to system of LCDrs confined in nano-pores of different shapes and sizes under several anchoring conditions. Two basic confining geometries (pores) considered in this work: slit and cylindrical pores. In each confining geometry, different anchoring conditions are imposed. The Isobaric-Isothermal (NPT) Monte Carlo Simulation is used to investigate the thermodynamic and structural properties of these nano-confined systems. The ransmission of orientational and positional ordering from the surface to the middle region of the pore depends on the size of the pore as well as on temperature and on anchoring strength. In the case of cylindrical pore, alignment propagation is short ranged compared to that of slit-pore. As a benchmark of our coarse-grained modelling strategy, we have extended and tested our coarse grained Force Field for the study of Janus-like dendrimers confined on planar substrates. The obtained results indicate the capability of our model to capture successfully the highly amphipilic nature of these class dendrimers and their self-organisation properties.
Abstract (translated): Τα δενδριμερή είναι μία κατηγορία μονοδιάσπαρτων πολυμερικών μακρομορίων με δενδρόμορφη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική. Η μοριακή αρχιτεκτονική τους και η μονοδιασπορά τους καθιστούν τα δενδριμερή ιδανικά ως πολυλειτουργικά υπερ-μόρια με εφαρμογές στην ιατρική και τη φαρμακολογία, την κατάλυση, την ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική κλπ. Τα Υγρό-Κρυσταλλικά Δενδριμερή (ΥΚΔ) είναι μια σχετικά νέα κατηγορία υπερ-μορίων που βασίζονται στη χημική τροποποίηση των κοινών δενδριμερών με μεσογόνες (υγρόκρυσταλλικές) μοριακές μονάδες. Ο συνδυασμός των ιδιαίτερων μοριακών ιδιοτήτων των κοινών δενδριμερών με την κατευθυντικότητα των μεσογόνων έχουν οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία υπερ-μεσογόνων (ΥΚΔ) με μοναδικές μοριακές ιδιότητες που επιτρέπουν νέους τρόπους (υπερ)μοριακής αυτο-συναρμολόγησης και αυτο-οργάνωσης. Η εργασία αυτή ασχολείται με τη μοντελοποίηση και την υπολογιστική προσομοίωση ΥΚΔ. Εισάγονται οι αρχές για μια αδροποιημένη μοντελοποίηση ΥΚΔ που να λαμβάνει ρητά υπόψη την ειδική αρχιτεκτονική, την εκτεταμένη μοριακή ευκαμψία και την ανισοτροπία σχήματος των μεσογόνων του ΥΚΔ. Τα δυναμικά αλληλεπιδράσεων που εισάγονται επιτρέπουν τη μοντελοποίηση ποικίλων δενδριτικών αρχιτεκτονικών. Με την χρήση υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo μελετώνται οι μοριακές ιδιότητες απλών ΥΚΔ διαφόρων γενεών και αρχιτεκτονικών καθώς και η θερμοδυναμική συμπεριφορά και οι μετατροπές φάσεων συστημάτων ΥΚΔ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην μοντελοποίηση της απόκρισης των LCDRS σε εξωτερικά πεδία που μπορούν να προκαλέσουν ευθυγράμμισης των μεσογόνων ομάδων του ΥΚΔ. Τα εξωτερικά εφαρμοζόμενα πεδία μπορεί να είναι δυναμικά ευθυγράμμισης που μιμούνται τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία ή πεδία που επάγονται από τους γεωμετρικούς περιορισμούς (συνοριακές συνθήκες) που επιβάλλονται στο υλικό όταν βρίσκεται κοντά σε επιφάνειες ή περιορισμένο εντός πόρων. Η δυνατότητα επίτευξης κοινού μοριακού προσανατολισμού στις μεσοφάσεις από ΥΚΔ αποτελεί βασικό παράγοντα για πολλές από τις πιθανές εφαρμογές τους. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo Μόντε ΥΚΔ σε επαφή με επίπεδο, αδιαπέραστο υπόστρωμα που έχει τη δυνατότητα προσρόφησης (αγκύρωσης) των μεσογόνων μονάδων του ΥΚΔ υπό επιθυμητό προσανατολισμό. Τα αποτελέσματα βασίζονται σε κατάλληλα αδροποιημένο πεδίο δυνάμεων για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δενδριμερών καθώς και του δενδριμερούς με το υπόστρωμα. Ανάλογα με τον τύπο μοριακής αγκύρωσης στην επιφάνεια και τη θερμοκρασία, μια ποικιλία από διαφορετικούς τρόπους οργάνωσης του ΥΚΔ στην επιφάνεια παρατηρούνται και αναλύονται. Η μελέτη έχει επεκταθεί επίσης σε συστήματα ΥΚΔ περιορισμένα σε νανο-πόρους διαφόρων σχήματα και μεγεθών κάτω από διάφορες συνθήκες μοριακής αγκύρωσης. Οι δύο βασικές γεωμετρίες περιορισμού (πόροι) που μελετούνται αναφέρονται σε παραλληλεπίπεδους και κυλινδρικούς πόρους. Σε κάθε γεωμετρία επιβάλλονται διαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo έγιναν στην ισοβαρή συλλογή (ΝΡΤ) και διερευνήθηκε η θερμοδυναμική συμπεριφορά καθώς και η μοριακή οργάνωση των συστημάτων υπό νανο-εγκλεισμό. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πλούσια θερμοδυναμική συμπεριφορά. Η μοριακή οργάνωση καθώς και η μετάδοση του προσανατολισμού και της τάξης θέσεων από την επιφάνεια προς την μεσαία περιοχή των πόρων εξαρτάται το σχήμα και τι μέγεθος του πόρου, από τη θερμοκρασία καθώς και από τις συνθήκες μοριακής αγκύρωσης στις επιφάνειες του πόρου. Για έλεγχο της αποτελεσματικότητας της στρατηγικής αδροποιημένης μοντελοποίησης που αναπτύχθηκε μελετήθηκαν επίσης αμφίφυλα δενδριμερή τύπου Janus περιορισμένα σε επίπεδη επιφάνεια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν την ικανότητα του μοντέλου μας να αποτυπώσει με επιτυχία το την αμφίφυλη φύση αυτών των δενδρομερών και να περιγράψει με επιτυχία διαφορετικούς τύπους αυτοργάνωσης που σχετίζονται με την αμφιφυλικότητα αυτών των μορίων και τον συνεπαγόμενο νανο-φασικό διαχωρισμό τους.
Appears in Collections:Τμήμα Επιστήμης των Υλικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD_thesis_Zerihun.pdf17.51 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.