Molecular Modeling of Nanostructured Materials

Abstract

With the unceasing interest of the scientific and commercial spheres in nanostructured materials, the demands for their more comprehensive characterization are increasing. This is often difficult or downright impossible using only conventional non-destructive chemical and physical analytical methods. In such cases, the experimental analysis can be supplemented with a molecular modeling method, which allows simulating the behavior of materials at the molecular level and thus clarifying the interactions without or with the time factor. In this dissertation, molecular modeling based on force fields is used to study interactions (surface functionalization or adsorption) in nanostructured materials. Geometry optimization was used to investigate the interactions of molecules and nanoparticles with different types of surfaces and subsequent determination of interaction energies, and molecular dynamics was used to develop the structure over time. All calculations were performed in the Materials Studio modeling environment. The work is focused on two areas – the first one is polymer nanofibrous membranes functionalized with molecules or nanoparticles, the second one studied the adsorption of molecules on porous materials. Attention is paid to surfaces formed by different crystallographic planes, both defectless and defective. In this work, a new modeling strategy is also described and used, allowing to investigate adsorption on activated carbon using simplified models based on the graphitic structure with the possibility of creating cavities and pores with well-defined dimensions and shapes. Modeling results were always correlated with experiment. The dissertation is an annotated set of five publications supplemented by one study in progress.

S neutuchajícím zájmem vědecké i komerční sféry o nanostrukturované materiály se zvyšují nároky na jejich ucelenější charakterizaci. To je mnohdy složité či přímo nemožné pouze pomocí běžných nedestruktivních chemických a fyzikálních analytických metod. V takových případech lze experimentální analýzu doplnit metodou molekulárního modelování, která umožňuje simulovat chování materiálů na molekulární úrovni a tím objasňovat interakce bez nebo s využitím časového faktoru. V této disertační práci slouží molekulární modelování na bázi silových polí ke studiu interakcí (povrchová funkcionalizace či adsorpce) v nanostrukturovaných materiálech. Ke zkoumání interakcí molekul a nanočástic s různými typy povrchů a následnému stanovení interakčních energií byla použita geometrická optimalizace, pro vývoj struktury v čase bylo využito molekulární dynamiky. Všechny výpočty byly provedeny v modelovacím prostředí Materials Studio. Práce je zaměřena na dvě oblasti – tou první jsou polymerní nanovlákenné membrány funkcionalizované molekulami či nanočásticemi, v druhé byla studována adsorpce molekul na porézních materiálech. Pozornost je věnována povrchům tvořeným různými krystalografickými rovinami, neporušenými i defektními. V této práci je rovněž popsána a použita nová modelovací strategie umožňující zkoumat adsorpci na aktivním uhlí pomocí zjednodušených modelů na bázi grafitické struktury s možností vytvářet kavity a póry o přesně definovaných rozměrech a tvarech. Výsledky modelování byly vždy korelovány s experimentem. Disertační práce je komentovaným souborem pěti publikací doplněným o jednu rozpracovanou studii.