First principle study of ions in water and ionic liquids

Die beiden in dieser Arbeit betrachteten Systeme, wässrige Lösungen von Ionen und ionische Flüssigkeiten, zeigen vielfältige Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, im Gegensatz zu anderen Systemen. Man findet sie beinahe überall im normalen Leben (Wasser), oder ihre Bedeutung wächst (ioinische Flüssigkeiten). Der elektronische Anteil und der atomare Anteil wurden getrennt voneinander untersucht und im Zusammenhang analysiert. Mittels dieser Methode konnten die in dem jeweiligen System auftretenden Mechanismen genauer untersucht werden. Diese Methode wird "Multiscale Modeling" genannt, dabei werden die Untereinheiten eines Systems genauer betrachtet, wie in diesem Fall die elektronischen and atomaren Teilsystem. Die Ergebnisse, die aus den jeweiligen Betrachtungen hervorgehen, zeigen, dass, im Falle von hydratisierten Ionen die Wasser-Wasser Wechselwirkungen wesentlich stärker sind als die elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Wasser und dem Ion. Anhand der Ergebnisse ergibt sich, dass normale nicht-polarisierbare Modelle ausreichen, um Ionen-Wasser Lösungen zu beschreiben. Im Falle der ionischen Flüssigkeiten betrachten wir die elektronische Ebene mittels sehr genauer post-Hartree-Fock Methoden und DFT, deren Ergebnisse dann mit denen auf molekularer Ebene (mithilfe von CPMD/klassischer MD) in Beziehung gesetzt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Wasserstoff-Brückenbindungen im Fall der ionischen Flüssigkeiten nicht vernachässigt werden können. Weiterhin hat diese Studie herausgefunden, dass die klassischen Kraftfelder die Elektrostatik (Dipol- und Quadrupolmomente) nicht genau genug beschreibt. Die Kombination des mikroskopischen Mechanismus und der molekularen Eigenschaften ist besonders sinnvoll um verschiedene Anhaltspunkte von Simualtionen (z.B. mit klassische Molekular-Dynamik) oder Experimenten zu liefern oder solche zu erklären.

Methods for the Quantification of Motor Stability for the Assessment of Fall Risk

The research field of the Thesis is the evaluation of motor variability and the analysis of motor stability for the assessment of fall risk. Since many falls occur during walking, a better understanding of motor stability could lead to the definition of a reliable fall risk index aiming at measuring and assessing the risk of fall in the elderly, in the attempt to prevent traumatic events. Several motor variability and stability measures are proposed in the literature, but still a proper methodological characterization is lacking. Moreover, the relationship between many of these measures and fall history or fall risk is still unknown, or not completely clear. The aim of this thesis is hence to: i) analyze the influence of experimental implementation parameters on variability/stability measures and understand how variations in these parameters affect the outputs; ii) assess the relationship between variability/stability measures and long- short-term fall history. Several implementation issues have been addressed. Following the need for a methodological standardization of gait variability/stability measures, highlighted in particular for orbital stability analysis through a systematic review, general indications about implementation of orbital stability analysis have been showed, together with an analysis of the number of strides and the test-retest reliability of several variability/stability numbers. Indications about the influence of directional changes on measures have been provided. The association between measures and long/short-term fall history has also been assessed. Of all the analyzed variability/stability measures, Multiscale entropy and Recurrence quantification analysis demonstrated particularly good results in terms of reliability, applicability and association with fall history. Therefore, these measures should be taken in consideration for the definition of a fall risk index.

Coarse-graining methods and polymer dynamics

This thesis studies molecular dynamics simulations on two levels of resolution: the detailed level of atomistic simulations, where the motion of explicit atoms in a many-particle system is considered, and the coarse-grained level, where the motion of superatoms composed of up to 10 atoms is modeled. While atomistic models are capable of describing material specific effects on small scales, the time and length scales they can cover are limited due to their computational costs. Polymer systems are typically characterized by effects on a broad range of length and time scales. Therefore it is often impossible to atomistically simulate processes, which determine macroscopic properties in polymer systems. Coarse-grained (CG) simulations extend the range of accessible time and length scales by three to four orders of magnitude. However, no standardized coarse-graining procedure has been established yet. Following the ideas of structure-based coarse-graining, a coarse-grained model for polystyrene is presented. Structure-based methods parameterize CG models to reproduce static properties of atomistic melts such as radial distribution functions between superatoms or other probability distributions for coarse-grained degrees of freedom. Two enhancements of the coarse-graining methodology are suggested. Correlations between local degrees of freedom are implicitly taken into account by additional potentials acting between neighboring superatoms in the polymer chain. This improves the reproduction of local chain conformations and allows the study of different tacticities of polystyrene. It also gives better control of the chain stiffness, which agrees perfectly with the atomistic model, and leads to a reproduction of experimental results for overall chain dimensions, such as the characteristic ratio, for all different tacticities. The second new aspect is the computationally cheap development of nonbonded CG potentials based on the sampling of pairs of oligomers in vacuum. Static properties of polymer melts are obtained as predictions of the CG model in contrast to other structure-based CG models, which are iteratively refined to reproduce reference melt structures. The dynamics of simulations at the two levels of resolution are compared. The time scales of dynamical processes in atomistic and coarse-grained simulations can be connected by a time scaling factor, which depends on several specific system properties as molecular weight, density, temperature, and other components in mixtures. In this thesis the influence of molecular weight in systems of oligomers and the situation in two-component mixtures is studied. For a system of small additives in a melt of long polymer chains the temperature dependence of the additive diffusion is predicted and compared to experiments.

Between the scales: Water from different perspectives

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Wassermodelle in sogenannten Multiskalen-Computersimulationen mit zwei Auflösungen untersucht, in atomistischer Auflösung und in einer vergröberten Auflösung, die als "coarse-grained" bezeichnet wird. In der atomistischen Auflösung wird ein Wassermolekül, entsprechend seiner chemischen Struktur, durch drei Atome beschrieben, im Gegensatz dazu wird ein Molekül in der coarse-grained Auflösung durch eine Kugel dargestellt.rnrnDie coarse-grained Modelle, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden mit verschiedenen coarse-graining Methoden entwickelt. Hierbei kommen hauptsächlich die "iterative Boltzmann Inversion" und die "iterative Monte Carlo Inversion" zum Einsatz. Beides sind struktur-basierte Ansätze, die darauf abzielen bestimmte strukturelle Eigenschaften, wie etwa die Paarverteilungsfunktionen, des zugrundeliegenden atomistischen Systems zu reproduzieren. Zur automatisierten Anwendung dieser Methoden wurde das Softwarepaket "Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining Applications" (VOTCA) entwickelt.rnrnEs wird untersucht, in welchem Maße coarse-grained Modelle mehrere Eigenschaftenrndes zugrundeliegenden atomistischen Modells gleichzeitig reproduzieren können, z.B. thermodynamische Eigenschaften wie Druck und Kompressibilität oder strukturelle Eigenschaften, die nicht zur Modellbildung verwendet wurden, z.B. das tetraedrische Packungsverhalten, welches für viele spezielle Eigenschaft von Wasser verantwortlich ist.rnrnMit Hilfe des "Adaptive Resolution Schemes" werden beide Auflösungen in einer Simulation kombiniert. Dabei profitiert man von den Vorteilen beider Modelle:rnVon der detaillierten Darstellung eines räumlich kleinen Bereichs in atomistischer Auflösung und von der rechnerischen Effizienz des coarse-grained Modells, die den Bereich simulierbarer Zeit- und Längenskalen vergrössert.rnrnIn diesen Simulationen kann der Einfluss des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks auf die Hydration von Fullerenen untersucht werden. Es zeigt sich, dass die Struktur der Wassermoleküle an der Oberfläche hauptsächlich von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Fulleren und Wasser und weniger von dem Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird.rn

Thermodynamic concepts in adaptive resolution simulations

This thesis work is devoted to the conceptual and technical development of the Adaptive Resolution Scheme (AdResS), a molecular dynamics method that allows the simulation of a system with different levels of resolution simultaneously. The simulation domain is divided into high and low resolution zones and a transition region that links them, through which molecules can freely diffuse.rnThe first issue of this work regards the thermodynamic consistency of the method, which is tested and verified in a model liquid of tetrahedral molecules. The results allow the introduction of the concept of the Thermodynamic Force, an external field able to correct spurious density fluctuations present in the transition region in usual AdResS simulations.rnThe AdResS is also applied to a system where two different representations with the same degree of resolution are confronted. This simple test extends the method from an Adaptive Resolution Scheme to an Adaptive Representation Scheme, providing a way of coupling different force fields based on thermodynamic consistency arguments. The Thermodynamic Force is successfully applied to the example described in this work as well.rnAn alternative approach of deducing the Thermodynamic Force from pressure consistency considerations allows the interpretation of AdResS as a first step towards a molecular dynamics simulation in the Grand Canonical ensemble. Additionally, such a definition leads to a practical way of determining the Thermodynamic Force, tested in the well studied tetrahedral liquid. The effects of AdResS and this correction on the atomistic domain are analyzed by inspecting the local distribution of velocities, radial distribution functions, pressure and particle number fluctuation. Their comparison with analogous results coming from purely atomistic simulations shows good agreement, which is greatly improved under the effect of the external field.rnA further step in the development of AdResS, necessary for several applications in biophysics and material science, consists of its application to multicomponent systems. To this aim, the high-resolution representation of a model binary mixture is confronted with its coarse-grained representation systematically parametrized. The Thermodynamic Force, whose development requires a more delicate treatment, also gives satisfactory results.rnFinally, AdResS is tested in systems including two-body bonded forces, through the simulation of a model polymer allowed to adaptively change its representation. It is shown that the distribution functions that characterize the polymer structure are in practice not affected by the change of resolution.rnThe technical details of the implementation of AdResS in the ESPResSo package conclude this thesis work.

Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter

Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme'' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.rnrnDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.rnrnDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft.

Biomimetic Scaffolds for the Controlled Release of Bioactive Molecules for Tissue Engineering Applications

The temporospatial controlled delivery of growth factors is crucial to trigger the desired healing mechanisms in target tissues. The uncontrolled release of growth factors has been demonstrated to cause severe side effects in its surrounding tissues. Thus, the first working hypothesis was to tune and optimize a newly developed multiscale delivery platform based on a nanostructured silicon particle core (pSi) and a poly (dl-lactide-co-glycolide) acid (PLGA) outer shell. In a murine subcutaneous model, the platform was demonstrated to be fully tunable for the temporal and spatial control release of the payload. Secondly, a multiscale approach was followed in a multicompartment collagen scaffold, to selectively integrate different sets of PLGA-pSi loaded with different reporter proteins. The spatial confinement of the microspheres allowed the release of the reporter proteins in each of the layers of the scaffold. Finally, the staged and zero-order release kinetics enabled the temporal biochemical patterning of the scaffold. The last step of this PhD project was to test if by fully embedding PLGA microspheres in a highly structured and fibrous collagen-based scaffold (camouflaging), it was possible to prevent their early detection and clearance by macrophages. It was further studied whether such a camouflaging strategy was efficient in reducing the production of key inflammatory molecules, while preserving the release kinetics of the payload of the PLGA microspheres. Results demonstrated that the camouflaging allowed for a 10-fold decrease in the number of PLGA microspheres internalized by macrophages, suggesting that the 3D scaffold operated by cloaking the PLGA microspheres. When the production of key inflammatory cytokines induced by the scaffold was assessed, macrophages' response to the PLGA microspheres-integrated scaffolds resulted in a response similar to that observed in the control (not functionalized scaffold) and the release kinetic of a reporter protein was preserved.

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.

Charge transport in organic photovoltaic cells

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.

Stabilità e variabilità del cammino in acqua

La camminata, sia in acqua sia a secco, è un esercizio praticato frequentemente in ambito riabilitativo. Lo scopo di questa tesi è di confrontare variabilità e stabilità del cammino dentro e fuori dall’acqua, al fine di comprendere le caratteristiche dei due tipi di cammino. L’analisi si è focalizzata sulla valutazione di misure di stabilità e variabilità che non erano mai state indagate prima per la camminata in acqua: Harmonic Ratio, Plot di Poincarè, moltiplicatori di Floquet, esponenti di Lyapunov, multiscale entropy, recurrence rate, determinism, averaged diagonal line length, maximum diagonal line length e divergenza. Gli indici sono stati calcolati su camminate di 30 e di 90 passi. Da questa analisi possiamo stimare anche quale parametro è già affidabile a 30 passi e non cambia se analizzato a 90 o se un parametro necessita di più passi per risultare affidabile. Inoltre è stata effettuata indagine statistica tramite test di Kruskal-Wallis. Dall'analisi è emerso che la camminata in acqua è più stabile, meno smooth, c’è un maggiore controllo posturale lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale e che il cammino è condotto in maniera meno automatica.

MODELING THE DYNAMICS OF AIRWAY CONSTRICTION: EFFECTS OF AGONIST TRANSPORT AND BINDING

Recent advances have revealed that during exogenous airway challenge, airway diameters can not be adequately predicted by their initial diameters. Furthermore, airway diameters can also vary greatly in time on scales shorter than a breath. In order to better understand these phenomena, we developed a multiscale model which allows us to simulate aerosol challenge in the airways during ventilation. The model incorporates agonist-receptor binding kinetics to govern the temporal response of airway smooth muscle (ASM) contraction on individual airway segments, which together with airway wall mechanics, determines local airway caliber. Global agonist transport and deposition is coupled with pressure-driven flow, linking local airway constrictions with global flow dynamics. During the course of challenge, airway constriction alters the flow pattern, redistributing agonist to less constricted regions. This results in a negative feedback which may be a protective property of the normal lung. As a consequence, repetitive challenge can cause spatial constriction patterns to evolve in time, resulting in a loss of predictability of airway diameters. Additionally, the model offers new insight into several phenomena including the intra- and inter-breath dynamics of airway constriction throughout the tree structure.

A global ”imaging” view on systems approaches in immunology

The immune system exhibits an enormous complexity. High throughput methods such as the "-omic'' technologies generate vast amounts of data that facilitate dissection of immunological processes at ever finer resolution. Using high-resolution data-driven systems analysis, causal relationships between complex molecular processes and particular immunological phenotypes can be constructed. However, processes in tissues, organs, and the organism itself (so-called higher level processes) also control and regulate the molecular (lower level) processes. Reverse systems engineering approaches, which focus on the examination of the structure, dynamics and control of the immune system, can help to understand the construction principles of the immune system. Such integrative mechanistic models can properly describe, explain, and predict the behavior of the immune system in health and disease by combining both higher and lower level processes. Moving from molecular and cellular levels to a multiscale systems understanding requires the development of methodologies that integrate data from different biological levels into multiscale mechanistic models. In particular, 3D imaging techniques and 4D modeling of the spatiotemporal dynamics of immune processes within lymphoid tissues are central for such integrative approaches. Both dynamic and global organ imaging technologies will be instrumental in facilitating comprehensive multiscale systems immunology analyses as discussed in this review.

Confidence Bands for Convex Median Curves using Sign-Tests

Suppose that one observes pairs (x1,Y1), (x2,Y2), ..., (xn,Yn), where x1 < x2 < ... < xn are fixed numbers while Y1, Y2, ..., Yn are independent random variables with unknown distributions. The only assumption is that Median(Yi) = f(xi) for some unknown convex or concave function f. We present a confidence band for this regression function f using suitable multiscale sign tests. While the exact computation of this band seems to require O(n4) steps, good approximations can be obtained in O(n2) steps. In addition the confidence band is shown to have desirable asymptotic properties as the sample size n tends to infinity.

Topographic and meteorological influences on spatial scaling of heavy convective rainfall in mountainous regions

Characterizing the spatial scaling and dynamics of convective precipitation in mountainous terrain and the development of downscaling methods to transfer precipitation fields from one scale to another is the overall motivation for this research. Substantial progress has been made on characterizing the space-time organization of Midwestern convective systems and tropical rainfall, which has led to the development of statistical/dynamical downscaling models. Space-time analysis and downscaling of orographic precipitation has received less attention due to the complexities of topographic influences. This study uses multiscale statistical analysis to investigate the spatial scaling of organized thunderstorms that produce heavy rainfall and flooding in mountainous regions. Focus is placed on the eastern and western slopes of the Appalachian region and the Front Range of the Rocky Mountains. Parameter estimates are analyzed over time and attention is given to linking changes in the multiscale parameters with meteorological forcings and orographic influences on the rainfall. Influences of geographic regions and predominant orographic controls on trends in multiscale properties of precipitation are investigated. Spatial resolutions from 1 km to 50 km are considered. This range of spatial scales is needed to bridge typical scale gaps between distributed hydrologic models and numerical weather prediction (NWP) forecasts and attempts to address the open research problem of scaling organized thunderstorms and convection in mountainous terrain down to 1-4 km scales.

Modeling mechanical response of heterogeneous materials

Heterogeneous materials are ubiquitous in nature and as synthetic materials. These materials provide unique combination of desirable mechanical properties emerging from its heterogeneities at different length scales. Future structural and technological applications will require the development of advanced light weight materials with superior strength and toughness. Cost effective design of the advanced high performance synthetic materials by tailoring their microstructure is the challenge facing the materials design community. Prior knowledge of structure-property relationships for these materials is imperative for optimal design. Thus, understanding such relationships for heterogeneous materials is of primary interest. Furthermore, computational burden is becoming critical concern in several areas of heterogeneous materials design. Therefore, computationally efficient and accurate predictive tools are highly essential. In the present study, we mainly focus on mechanical behavior of soft cellular materials and tough biological material such as mussel byssus thread. Cellular materials exhibit microstructural heterogeneity by interconnected network of same material phase. However, mussel byssus thread comprises of two distinct material phases. A robust numerical framework is developed to investigate the micromechanisms behind the macroscopic response of both of these materials. Using this framework, effect of microstuctural parameters has been addressed on the stress state of cellular specimens during split Hopkinson pressure bar test. A voronoi tessellation based algorithm has been developed to simulate the cellular microstructure. Micromechanisms (microinertia, microbuckling and microbending) governing macroscopic behavior of cellular solids are investigated thoroughly with respect to various microstructural and loading parameters. To understand the origin of high toughness of mussel byssus thread, a Genetic Algorithm (GA) based optimization framework has been developed. It is found that two different material phases (collagens) of mussel byssus thread are optimally distributed along the thread. These applications demonstrate that the presence of heterogeneity in the system demands high computational resources for simulation and modeling. Thus, Higher Dimensional Model Representation (HDMR) based surrogate modeling concept has been proposed to reduce computational complexity. The applicability of such methodology has been demonstrated in failure envelope construction and in multiscale finite element techniques. It is observed that surrogate based model can capture the behavior of complex material systems with sufficient accuracy. The computational algorithms presented in this thesis will further pave the way for accurate prediction of macroscopic deformation behavior of various class of advanced materials from their measurable microstructural features at a reasonable computational cost.