Molecular simulations of graphene-based materials for organic electronics - Κωνσταντινόπουλος, Στέφανος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, 2017)
Οι δισκόμορφοι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες αποτελούν μία πολλά υποσχόμενη κατηγορία υλικών για εφαρμογές ως ενεργά μέσα σε οργανικά ηλεκτρονικά. Παρουσιάζουν ομοιότητες σε μοριακό επίπεδο με νιφάδες γραφενίου νανομετρικών διαστάσεων. Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες έχουν την ιδιότητα να αυτό-οργανώνονται σε μοριακές ίνες. Λόγω των π-π αλληλεπιδράσεων μεταξύ των τροχιακών γειτονικών αρωματικών δίσκων, τα συστήματα αυτά εμφανίζουν μονοδιάστατη αγωγιμότητα κατά μήκος της αξονικής διεύθυνσης. Η δυνατότητα να επιδέχονται ευέλικτες πλευρικές ομάδες σε διάφορα σημεία της περιφέρειάς, τους προσδίδει νέες ιδιότητες, όπως η ενεργοποίηση της υγροκρυσταλλικής συμπεριφοράς. Τρία διαφορετικά είδη πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων μελετήθηκαν. Το εξα-περι-εξαβενζοκορονένιο (hexa-peri hexabenzocoronene – HBC) είναι ένα δισκόμορφο μόριο εξαγωνικής συμμετρίας το οποίο αποτελείται από 42 sp2 υβριδισμένα άτομα άνθρακα τα οποία σχηματίζουν 13 βενζολικούς δακτυλίους. Το υπερφαινυλένιο (C96H24-C96) είναι ένα δισκόμορφο μόριο το οποίο παρουσιάζει τριγωνική συμμετρία και το C132H34 νανογραφένιο (C132) έχει τετραγωνική συμμετρία και δομείται από 50 δακτυλίους. Τα τελευταία δύο μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως αποτέλεσμα σύνδεσης τριών και τεσσάρων μορίων HBC, αντίστοιχα. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Μηχανικής και Μοριακής Δυναμικής νανογραφένια στην περιφέρεια των οποίων έχουν προσαρτηθεί αλειφατικές αλυσίδες κανονικού εξανίου, δωδεκανίου και φυτανίου και αυτοοργανώνονται σε μοριακούς κρυστάλλους. Προκειμένου να καταστεί εφικτός ο προσδιορισμός των προτιμητέων τρόπων στοίβαξης μία πληθώρα από δισκόμορφα διμερή διαφορετικής συμμετρίας εξισορροπήθηκαν στατικά μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Μηχανικής. Με βάση τους προτιμητέους τρόπους στοίβαξης των διμερών παράχθηκαν αρχικές απεικονίσεις μοριακών ινών, οι οποίες σχηματίζουν μοριακούς κρυστάλλους. Δομικές και δυναμικές ιδιότητες μοριακών συστημάτων νανογραφενίου υπολογίστηκαν από τροχιές Μοριακής Δυναμικής σε θερμοδυναμική ισορροπία, που προέκυψαν από τη χρήση του λογισμικού προσομοιώσεων LAMMPS. Η ολοκλήρωση των εξισώσεων κίνησης και ο έλεγχος της θερμοκρασίας και της πίεσης υλοποιήθηκε με τη χρήση σύγχρονων αλγορίθμων αιχμής, σε συνδυασμό με εξελιγμένες τεχνικές υπολογισμών στον αντίστροφο χώρο για την ποσοτικοποίηση των αλληλεπιδράσεων μακράς εμβέλειας. Για την ποσοτικοποίηση των αλληλεπιδράσεων χρησιμοποιήθηκαν εδραιωμένα πεδία δυνάμεων από τη βιβλιογραφία που αναπαράγουν ικανοποιητικά τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα.