Studying the alignment of 5-cyanobiphenyl on a polydimethylsiloxane surface through Molecular Dynamics simulations

For 40 years, at the University of Bologna, a group of researchers coordinated by professor Claudio Zannoni has been studying liquid crystals by employing computational techniques. They have developed effective models of these interesting, and still far from being completely understood, systems. They were able to reproduce with simulations important features of some liquid crystal molecules, such as transition temperature. Then they focused their attention on the interactions that these molecules have with different kinds of surface, and how these interactions affect the alignment of liquid crystals. The group studied the behaviour of liquid crystals in contact with different kinds of surfaces, from silica, either amorphous and crystalline, to organic self assembled monolayers (SAMs) and even some common polymers, such as polymethylmethacrylate (PMMA) and polystyrene (PS). Anyway, a library of typical surfaces is still far from being complete, and a lot of work must be done to investigate the cases which have not been analyzed yet. A hole that must be filled is represented by polydimethylsiloxane (PDMS), a polymer on which the interest of industry has enormously grown up in the last years, thanks to its peculiar features, allowing it to be employed in many fields of applications. It has been observed experimentally that PDMS causes 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (well known as 5CB), one of the most common liquid crystal molecules, to align homeotropically (i.e. perpendicular) with respect to a surface made of this polymer. Even though some hypothesis have been presented to rationalize the effect, a clear explanation of this phenomenon has not been given yet. This dissertation shows the work I did during my internship in the group of professor Zannoni. The challenge that I had to tackle was to investigate, via Molecular Dynamics (MD) simulations, the reasons of 5CB homeotropic alignment on a PDMS surface, as the group had previously done for other surfaces.

Polymer-liquid crystal interface: a molecular dynamics study

Liquid crystals (LCs) are an interesting class of soft condensed matter systems characterized by an unusual combination of fluidity and long-range order, mainly known for their applications in displays (LCDs). However, the interest in LC continues to grow pushed by their application in new technologies in medicine, optical imaging, micro and nano technologies etc. In LCDs uniaxial alignment of LCs is mainly achieved by a rubbing process. During this treatment, the surfaces of polymer coated display substrates are rubbed in one direction by a rotating cylinder covered with a rubbing cloth. Basically, LC alignment involves two possible aligning directions: uniaxial planar (homogeneous) and vertical (homeotropic) to the display substrate. An interesting unresolved question concerning LCs regards the origin of their alignment on rubbed surfaces, and in particular on the polymeric ones used in the display industry. Most studies have shown that LCs on the surface of the rubbed polymer film layer are lying parallel to the rubbing direction. In these systems, micrometric grooves are generated on the film surface along the rubbing direction and also the polymer chains are stretched in this direction. Both the parallel aligned microgrooves and the polymer chains at the film surface may play a role in the LC alignment and it is not easy to quantify the effect of each contribution. The work described in this thesis is an attempt to find new microscopic evidences on the origin of LC alignment on polymeric surfaces through molecular dynamics (MD) simulations, which allow the investigation of the phenomenon with atomic detail. The importance of the arrangement of the polymeric chains in LCs alignment was studied by performing MD simulations of a thin film of a typical nematic LC, 4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB), in contact with two different polymers: poly(methyl methacrylate)(PMMA) and polystyrene (PS). At least four factors are believed to influence the LC alignment: 1. the interactions of LCs with the backbone vinyl chains; 2. the interactions of LCs with the oriented side groups; 3. the anisotropic interactions of LCs with nanometric grooves; 4. the presence of static surface charges. Here we exclude the effect of microgrooves and of static surface charges from our virtual experiment, by using flat and neutral polymer surfaces, with the aim of isolating the chemical driving factors influencing the alignment of LC phases on polymeric surfaces.

Molecular organization of n-cyanobiphenyl liquid crystals on a molybdenite surface

The alignement and anchoring of liquid crystals on solid surfaces is a key problem for modern device technology that until now has been treated empirically, but that can now be tackled by atomistic computer simulations. Molecular dynamics (MD) simulations were used in this thesis work to study two films of 7 and 8 n-alkyl-4’cyanobiphenyl (7CB and 8CB) liquid crystals , with a thickness of 15 nm, confined between two (001) surfaces of MoS2 (molybdenite). The isotropic and nematic phases of both liquid crystals were simulated, and the resulting structures characterized structurally. A new force field was designed to model the interactions between the liquid crystal (LC) molecules and the surface of molybdenite, while an accurate force field developed previously was used to model the 7CB and 8CB molecules. The results show that the (001) molybdenite surface induces a planar orientation in both the liquid crystals. For the nematic phase of 8CB, one of the two solid/LC interfaces is composed of a first layer of molecules aligned parallel to the surface, followed by a second layer of molecules aligned perpendicular to the surface (also called, homeotropic). The effect of the surface appears to be local in nature as it is confined to the first 15 Angström of the LC film. Conversely, for the nematic phase of 7CB, a planar ordering is established into the LC film. The LC molecules at the interface with the molybdenite appear to align preferentially their alkyl chains toward the solid substrate. The resulting tilt angle of molecules was found to be in good agreement with experimental measurements available in literature. Despite the fact that the MD simulations spanned a time range of more than 100 ns, the nematic phases of both 7CB and 8CB were found not to be completely formed. In order to confirm the findings presented in this thesis, we propose to extend the current study.

Atomistic simulations of bulk and free standing film smectics

In questa tesi viene descritto lo studio delle fasi liquido-cristalline del 4-n-ottil-4-cianobifenile eseguito tramite simulazioni al calcolatore molecular dynamics, sia per campioni bulk che per film smectici sottili. Impiegando un campo di forze "molecular mechanics" precedentemente usato con successo per studiare sistemi composti da 250 molecole della serie degli n-cianobifenili (nCB, con n pari a 4-8 atomi di carbonio nella catena alifatica), si è simulato il comportamento di un sistema bulk di 750 molecole e di un film smectico di 1500 molecole. Nel primo caso, sottoponendo il campione a un graduale raffreddamento, si è osservata la formazione spontanea di fasi ordinate quali quella nematica e quella smectica. Nel secondo caso, invece, si è studiata l'influenza dell'interfaccia con il vuoto sull'ordine posizionale e orientazionale di film sottili di diverso spessore e temperatura. Si sono confrontate le proprietà di entrambi i sistemi simulati con i dati sperimentali disponibili in letteratura, confermando la bontà del modello nel riprodurre fedelmente le caratteristiche dei campioni reali.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Properties of cosmic voids in dark energy simulations

The last decade has witnessed the establishment of a Standard Cosmological Model, which is based on two fundamental assumptions: the first one is the existence of a new non relativistic kind of particles, i. e. the Dark Matter (DM) that provides the potential wells in which structures create, while the second one is presence of the Dark Energy (DE), the simplest form of which is represented by the Cosmological Constant Λ, that sources the acceleration in the expansion of our Universe. These two features are summarized by the acronym ΛCDM, which is an abbreviation used to refer to the present Standard Cosmological Model. Although the Standard Cosmological Model shows a remarkably successful agreement with most of the available observations, it presents some longstanding unsolved problems. A possible way to solve these problems is represented by the introduction of a dynamical Dark Energy, in the form of the scalar field ϕ. In the coupled DE models, the scalar field ϕ features a direct interaction with matter in different regimes. Cosmic voids are large under-dense regions in the Universe devoided of matter. Being nearby empty of matter their dynamics is supposed to be dominated by DE, to the nature of which the properties of cosmic voids should be very sensitive. This thesis work is devoted to the statistical and geometrical analysis of cosmic voids in large N-body simulations of structure formation in the context of alternative competing cosmological models. In particular we used the ZOBOV code (see ref. Neyrinck 2008), a publicly available void finder algorithm, to identify voids in the Halos catalogues extraxted from CoDECS simulations (see ref. Baldi 2012 ). The CoDECS are the largest N-body simulations to date of interacting Dark Energy (DE) models. We identify suitable criteria to produce voids catalogues with the aim of comparing the properties of these objects in interacting DE scenarios to the standard ΛCDM model, at different redshifts. This thesis work is organized as follows: in chapter 1, the Standard Cosmological Model as well as the main properties of cosmic voids are intro- duced. In chapter 2, we will present the scalar field scenario. In chapter 3 the tools, the methods and the criteria by which a voids catalogue is created are described while in chapter 4 we discuss the statistical properties of cosmic voids included in our catalogues. In chapter 5 the geometrical properties of the catalogued cosmic voids are presented by means of their stacked profiles. In chapter 6 we summarized our results and we propose further developments of this work.

Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che è invece largamente dominata da componenti “oscure”. Il modello standard usato per descriverle è il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato “Multi-coupled Dark Energy” (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura è composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche “zoomed”. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo è stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densità ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema “cusp-core” del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Data analysis and simulations of VIRTIS venus spectra

VIRTIS, a bordo di Venus Express, è uno spettrometro in grado di operare da 0.25 a 5 µm. Nel periodo 2006-2011 ha ricavato un'enorme mole di dati ma a tutt'oggi le osservazioni al lembo sono poco utilizzate per lo studio delle nubi e delle hazes, specialmente di notte. Gli spettri al lembo a quote mesosferiche sono dominati dalla radianza proveniente dalle nubi e scatterata in direzione dello strumento dalle hazes. L'interpretazione degli spettri al lembo non può quindi prescindere dalla caratterizzazione dell'intera colonna atmosferica. L'obiettivo della tesi è di effettuare un’analisi statistica sulle osservazioni al nadir e proporre una metodologia per ricavare una caratterizzazione delle hazes combinando osservazioni al nadir e al lembo. La caratterizzazione delle nubi è avvenuta su un campione di oltre 3700 osservazioni al nadir. È stato creato un ampio dataset di spettri sintetici modificando, in un modello iniziale, vari parametri di nube quali composizione chimica, numero e dimensione delle particelle. Un processo di fit è stato applicato alle osservazioni per stabilire quale modello potesse descrivere gli spettri osservati. Si è poi effettuata una analisi statistica sui risultati del campione. Si è ricavata una concentrazione di acido solforico molto elevata nelle nubi basse, pari al 96% in massa, che si discosta dal valore generalmente utilizzato del 75%. Si sono poi integrati i risultati al nadir con uno studio mirato su poche osservazioni al lembo, selezionate in modo da intercettare nel punto di tangenza la colonna atmosferica osservata al nadir, per ricavare informazioni sulle hazes. I risultati di un modello Monte Carlo indicano che il numero e le dimensioni delle particelle previste dal modello base devono essere ridotte in maniera significativa. In particolare si osserva un abbassamento della quota massima delle hazes rispetto ad osservazioni diurne.

Galactic fountain flows in high-resolution hydrodynamical simulations of galaxy disks

Feedback from the most massive components of a young stellar cluster deeply affects the surrounding ISM driving an expanding over-pressured hot gas cavity in it. In spiral galaxies these structures may have sufficient energy to break the disk and eject large amount of material into the halo. The cycling of this gas, which eventually will fall back onto the disk, is known as galactic fountains. We aim at better understanding the dynamics of such fountain flow in a Galactic context, frame the problem in a more dynamic environment possibly learning about its connection and regulation to the local driving mechanism and understand its role as a metal diffusion channel. The interaction of the fountain with a hot corona is hereby analyzed, trying to understand the properties and evolution of the extraplanar material. We perform high resolution hydrodynamical simulations with the moving-mesh code AREPO to model the multi-phase ISM of a Milky Way type galaxy. A non-equilibrium chemical network is included to self consistently follow the evolution of the main coolants of the ISM. Spiral arm perturbations in the potential are considered so that large molecular gas structures are able to dynamically form here, self shielded from the interstellar radiation field. We model the effect of SN feedback from a new-born stellar cluster inside such a giant molecular cloud, as the driving force of the fountain. Passive Lagrangian tracer particles are used in conjunction to the SN energy deposition to model and study diffusion of freshly synthesized metals. We find that both interactions with hot coronal gas and local ISM properties and motions are equally important in shaping the fountain. We notice a bimodal morphology where most of the ejected gas is in a cold $10^4$ K clumpy state while the majority of the affected volume is occupied by a hot diffuse medium. While only about 20\% of the produced metals stay local, most of them quickly diffuse through this hot regime to great scales.

Numerical simulations of the effects of residual stresses in adhesively bonded composite specimen

In this work the problem of performing a numerical simulation of quasi-static crack propagation within an adhesive layer of a bonded joint under Mode I loading affected by stress field changes due to thermal-chemical shrinkage induced by cure process is addressed. Secondly, a parametric study on fracture critical energy, cohesive strength and Young's modulus is performed. Finally, a particular case of adhesive layer stiffening is simulated in order to verify qualitatively the major effect.

Investigation of spectral stability of X-ray tubes by simulations and experimental spectrum measurements

L'obiettivo di questo lavoro è quello di analizzare la stabilità di uno spettro raggi X emesso da un tubo usurato per analisi cardiovascolari, in modo da verificare il suo comportamento. Successivamente questo tipo di analisi sarà effettuata su tubi CT. Per raggiungere questo scopo è stato assemblato un particolare set-up con un rivelatore al germanio criogenico in modo da avere la miglior risoluzione energetica possibile ed alcuni particolari collimatori così da ridurre il flusso fotonico per evitare effetti di pile-up. Il set-up è stato costruito in modo da avere il miglior allineamento possibile nel modo più veloce possibile, e con l'obiettivo di rendere l'intero sistema portabile. Il tubo usato è un SRM Philips tube per analisi cardiovascolari; questa scelta è stata fatta in modo da ridurre al minimo i fattori esterni (ottica elettromagnetica, emettitori) e concentrare l'attenzione solo sugli effetti, causati dalle varie esposizioni, sull'anodo (roughness e bending) e sul comportamento di essi durante il surriscaldamento e successivo raffreddamento del tubo. I risultati mostrano come durante un'esposizione alcuni fattori di usura del tubo possono influire in maniera sostanziale sullo spettro ottenuto e quindi alterare il risultato. Successivamente, nell'elaborato, mediante il software Philips di ricostruzione e simulazione dello spettro si è cercato di riprodurre, variando alcuni parametri, la differenza riscontrata sperimentalmente in modo da poter simulare l'instabilità e correggere i fattori che la causano. I risultati sono interessanti non solo per questo esperimento ma anche in ottica futura, per lo sviluppo di applicazioni come la spectral CT. Il passo successivo sarà quello di spostare l'attenzione su un CT tube e verificare se l'instabilità riscontrata in questo lavoro è persiste anche in una analisi più complessa come quella CT.

Evaluating the urban heat island for cities of Emilia-Romagna region through numerical simulations

Lo scopo di questo studio è la comprensione della dinamica dello strato limite urbano per città dell’Emilia Romagna tramite simulazioni numeriche. In particolare, l’attenzione è posta sull’ effetto isola di calore, ovvero sulla differenza di temperatura dell’aria in prossimità del suolo fra zone rurali e urbane dovuta all’urbanizzazione. Le simulazioni sono state effettuate con il modello alla mesoscala "Weather Research and Forecasting" (WRF), accoppiato con le parametrizzazioni urbane "Building Effect Parametrization" (BEP) e "Building Energy Model" (BEM), che agiscono a vari livelli verticali urbani. Il periodo di studio riguarda sei giorni caldi e senza copertura nuvolosa durante un periodo di heat wave dell’anno 2015. La copertura urbana è stata definita con il "World Urban Databes and Access Portal Tools" (WUDAPT), un metodo che permette di classificare le aree urbane in dieci "urban climate zones" (UCZ), attraverso l’uso combinato di immagini satellitari e "training areas" manualmente definite con il software Google Earth. Sono state svolte diverse simulazioni a domini innestati, con risoluzione per il dominio più piccolo di 500 m, centrato sulla città di Bologna. Le differenze fra le simulazioni riguardano la presenza o l’assenza delle strutture urbane, il metodo di innesto e tipo di vegetazione rurale. Inoltre, è stato valutato l’effetto dovuto alla presenza di pannelli fotovoltaici sopra i tetti di ogni edificio e le variazioni che i pannelli esercitano sullo strato limite urbano. Per verificare la bontà del modello, i dati provenienti dalle simulazioni sono stati confrontati con misure provenienti da 41 stazioni all’interno dell’area di studio. Le variabili confrontate sono: temperatura, umidità relativa, velocità e direzione del vento. Le simulazioni sono in accordo con i dati osservativi e riescono a riprodurre l’effetto isola di calore: la differenza di temperatura fra città e zone rurali circostanti è nulla durante il giorno; al contrario, durante la notte l’isola di calore è presente, e in media raggiunge il massimo valore di 4°C alle 1:00. La presenza dei pannelli fotovoltaici abbassa la temperatura a 2 metri dell’aria al massimo di 0.8°C durante la notte, e l’altezza dello strato limite urbano dell’ordine 200mrispetto al caso senza pannelli. I risultati mostrano come l’uso di pannelli fotovoltaici all’interno del contesto urbano ha molteplici benefici: infatti, i pannelli fotovoltaici riescono a ridurre la temperatura durante un periodo di heat wave, e allo stesso tempo possono parzialmente sopperire all’alto consumo energetico, con una conseguente riduzione del consumo di combustibili fossili.