Διδακτορικός Φοιτητής
Δημήτριος Στεφανάκης

Email

dimstef@materials.uoc.gr

Θέμα διδακτορικού

Μοντελοποίηση αλληλεπιδράσεων θειολών με περίπλοκες επιφάνειες χρυσού

Modeling the interactions between thiols and complex gold surfaces

Επιβλέπων

Ρεμεδιάκης Ιωάννης , Μόνιμος επίκουρος καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Επιτροπή

Ρεμεδιάκης Ιωάννης , Μόνιμος επίκουρος καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Κοπιδάκης Γεώργιος, Αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Χαρμανδάρης Ευάγγελος, Επίκουρος καθηγητής, Τμήμα Μαθηματικών και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών, Παν/μιο Κρήτης

Περίληψη

Τα Αυτοοργανούμενα Μονοστρώματα (Self-Assembled Monolayers - SAM) αποτελούνται από σχετικά μικρά μόρια αλκανίων (10-20 ομάδες μεθυλενίου) όπου η τελική τους ομάδα μεθυλίου (R ή -CH3) έχει αντικατασταθεί από μια λειτουργική ομάδα (π.χ. SH) και έχει προσροφηθεί σε διάφορες μεταλλικές επιφάνειες (π.χ. Au, Ag κ.λπ.). Παρόλο που έχουν γίνει πολλές μελέτες σχετικά με την αλληλεπίδραση μεταξύ των αλκανοθειολών και της επίπεδης επιφάνειας Au(111), αυτό δεν ισχύει για άλλες σύνθετες επιφάνειες Au όπως Au(211), Au(321) κλπ. που μπορούν να βρεθούν σε διάφορες νανοδομές (όπως τα νανοσωματίδια Au). Το σημαντικό είναι ότι αυτές οι επιφάνειες περιέχουν ανωμαλίες που αυξάνουν τη δραστικότητά τους. Η προσπάθειά μας είναι να μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες της αλληλεπίδρασης Au-S σε SAMs πάνω σε σύνθετες επιφάνειες με την ανάπτυξη ενός νέου αποτελεσματικού εμπειρικού δυναμικού που μπορεί να περιγράψει τον δεσμό. Προκειμένου να αναπτυχθεί αυτό το δυναμικό, χρησιμοποιούμε δεδομένα που προέρχονται είτε από τη βιβλιογραφία είτε εκτελούμε νέους υπολογισμούς για να τα παράγουμε, σε περίπτωση που δεν υπάρχουν αλλού, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Κβαντομηχανικής με τη Θεωρία Συναρτησιακού Πυκνότητας (Density Functional Theory – DFT). Από την άλλη πλευρά, σκοπεύουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το εμπειρικό δυναμικό για να διερευνήσουμε μερικά ενδιαφέροντα δομικά χαρακτηριστικά διαφόρων μεγεθών SAM, εκτελώντας προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (Molecular Dynamics – MD), ξεκινώντας με μικρές δομές που περιέχουν ένα άτομο S και διάφορους αριθμούς ατόμων C σε αρκετές επιφάνειες Au και επεκτείνοντάς τις σε μεγαλύτερες με εκατοντάδες άτομα S. Οι ιδιότητες των SAM τα καθιστούν πολύ χρήσιμα για πολλές εφαρμογές. Πειράματα για τη μελέτη συγκεκριμένων δομικών χαρακτηριστικών των μονομοριακών μεμβρανών και η επίδραση στη δομή τους που προκαλείται από τις χημικές αλλοιώσεις στην ανθρακική αλυσίδα ή στην τερματική ομάδα, χρησιμοποιούν SAMs που βασίζονται σε αλκανοθειόλες ως πρωτότυπα μοντέλα. Επιπλέον, οι παραπάνω υπολογισμοί θα μπορούσαν να οδηγήσουν περαιτέρω σε νέα πειράματα σχετικά με τη σύνθεση νέων υλικών βασισμένα σε νανοσωματίδια για πολλές εφαρμογές όπως εξαιρετικά σκληρές επικαλύψεις, καταλύτες υψηλής επιλεκτικότητας, έξυπνα υλικά για μεταφορά φαρμάκων, οπτικά ηλεκτρονικά συστήματα, διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές, καθαρές επιφάνειες, SAM με συγκεκριμένους υποδοχείς πρόσδεσης, μοριακά ηλεκτρονικά κ.λπ.

Abstract

The Self-Assembled Monolayers (SAMs) consist of relatively short alkane molecules (10-20 methylene groups) where their terminal methyl (R or –CH3) group has been replaced by a functional group (e.g. SH) and have been adsorpted onto various metal surfaces (e.g. Au, Ag, etc.). Although there have been a lot of studies concerning the interaction between alkanethiols and the planar Au(111) surface, this is not true for other complex Au surfaces like Au(211), Au(321) etc that can be found on various nanostructures (like Au NPs). The important fact is that these surfaces contain anomalies that increase their activity. Our endeavor is to study the characteristics and properties of Au-S interaction in SAMS at complex surfaces by the developement of a new effective empirical potential that can describe the bond. In order to develop this potential, we use data coming either from the literature or by performing new calculations to produce them, in case that they are not exist elsewhere, using Quantum Mechanics simulations with Density Functional Theory. On the other hand, we intend to use this empirical potential to investigate some interesting structural features of various sized SAMs by performing Molecular Dynamics simulations, starting with small structures containing one S atom and various numbers of C atoms on several Au complex surfaces and extending them to bigger ones with hundreds of S atoms. The properties of SAMs make them very useful for a lot of applications. Experiments for studying specific structural features of monomolecular films and the affection in the structure of them that is caused by the chemical alterations in the chain backbone or the terminal group use alkanethiol-based SAMs as prototypical models. More than that, the above calculations might lead further to new experiments concerning the synthesis of new materials based on NPs for a number of applications such as ultra-hard coatings, high selectivity catalysts, smart materials for drug delivery, fine-tuned optoelectronic devices, various biomedical applications, non-fouling surfaces, SAMs with specific binding receptors, molecular electronics etc.