Computer simulation of ordering and dynamics in liquid crystals in the bulk and close to the surface

The aim of this PhD thesis is to investigate the orientational and dynamical properties of liquid crystalline systems, at molecular level and using atomistic computer simulations, to reach a better understanding of material behavior from a microscopic point view. In perspective this should allow to clarify the relation between the micro and macroscopic properties with the objective of predicting or confirming experimental results on these systems. In this context, we developed four different lines of work in the thesis. The first one concerns the orientational order and alignment mechanism of rigid solutes of small dimensions dissolved in a nematic phase formed by the 4-pentyl,4 cyanobiphenyl (5CB) nematic liquid crystal. The orientational distribution of solutes have been obtained with Molecular Dynamics Simulation (MD) and have been compared with experimental data reported in literature. we have also verified the agreement between order parameters and dipolar coupling values measured in NMR experiments. The MD determined effective orientational potentials have been compared with the predictions of Maier­Saupe and Surface tensor models. The second line concerns the development of a correct parametrization able to reproduce the phase transition properties of a prototype of the oligothiophene semiconductor family: sexithiophene (T6). T6 forms two crystalline polymorphs largely studied, and possesses liquid crystalline phases still not well characterized, From simulations we detected a phase transition from crystal to liquid crystal at about 580 K, in agreement with available experiments, and in particular we found two LC phases, smectic and nematic. The crystal­smectic transition is associated to a relevant density variation and to strong conformational changes of T6, namely the molecules in the liquid crystal phase easily assume a bent shape, deviating from the planar structure typical of the crystal. The third line explores a new approach for calculating the viscosity in a nematic through a virtual exper- iment resembling the classical falling sphere experiment. The falling sphere is replaced by an hydrogenated silicon nanoparticle of spherical shape suspended in 5CB, and gravity effects are replaced by a constant force applied to the nanoparticle in a selected direction. Once the nanoparticle reaches a constant velocity, the viscosity of the medium can be evaluated using Stokes' law. With this method we successfully reproduced experimental viscosities and viscosity anisotropy for the solvent 5CB. The last line deals with the study of order induction on nematic molecules by an hydrogenated silicon surface. Gaining predicting power for the anchoring behavior of liquid crystals at surfaces will be a very desirable capability, as many properties related to devices depend on molecular organization close to surfaces. Here we studied, by means of atomistic MD simulations, the flat interface between an hydrogenated (001) silicon surface in contact with a sample of 5CB molecules. We found a planar anchoring of the first layers of 5CB where surface interactions are dominating with respect to the mesogen intermolecular interactions. We also analyzed the interface 5CB­vacuum, finding a homeotropic orientation of the nematic at this interface.

Energia da fonti rinnovabili negli edifici esistenti. Integrazione architettonica di captatori solari ed eolici.

Questa tesi tratta dell'applicazione agli edifici esistenti di dispositivi per la produzione energetica da fonte rinnovabile: solare fotovoltaica, solare termica ed eolica. Dopo aver analizzato i motivi economici ed ambientali che oggi inducono ad affrontare il tema complesso dell'integrazione di queste tecnologie anche negli edifici esistenti, vengono documentate alcune decine di recenti istallazioni, reperite in ambito internazionale, costituendo così un piccolo repertorio di casi applicativi. Il ricorso alle fonti di energia rinnovabili in architettura ed il concetto di sostenibilità applicato alla progettazione sono temi di interesse mondiale che coinvolgono la riqualificazione energetica del parco edilizio esistente. Questo fenomeno sta generando una vera rivoluzione che, da una dimensione culturale promossa dalle politiche energetiche dei vari paesi, travolge svariati ambiti disciplinari, primo tra tutti l'architettura. L’elaborato è idealmente diviso in quattro parti, come di seguito specificato. Nel primo capitolo vengono trattate le problematiche che stanno portando alla diffusione delle energie rinnovabili nel mondo e descritte le varie forme e tecnologie con cui si utilizzano. Nel secondo e terzo capitolo sono trattati i temi dell’energia negli edifici e la sostenibilità nel progetto per la riqualificazione energetica in architettura. Negli ultimi tre capitoli si analizzano le caratteristiche, i componenti ed il funzionamento dei sistemi fotovoltaici, solari termici e micro/mini-eolici applicati ai manufatti edilizi. Si descrivono, inoltre, le tecnologie e le soluzioni per l’integrazione di detti impianti sugli edifici esistenti. L’ultima parte, costituita dall’allegato che contiene le schede di analisi di alcuni casi studio, descrive la realizzazione di progetti di riqualificazione energetica in cui sistemi fotovoltaici, solari termici ed eolici vengono applicati ad edifici di vario genere.

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.

Sintesi e caratterizzazione di La0.4Sr0.4TiO3 (LST) come anodo innovativo per celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)

Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono reattori elettrochimici che convertono l’energia chimica di un gas combustibile direttamente in energia elettrica con un’alta efficienza e con basse emissioni. Il materiale più comunemente usato come anodo, il Ni/YSZ cermet, mostra però numerosi svantaggi nell’applicazione quali la suscettibilità all’avvelenamento da zolfo e la deposizione di coke per cracking degli idrocarburi usati come combustibile. E’ perciò necessario sviluppare materiali alternativi che sopperiscano a questi problemi. Il titanato di stronzio drogato con lantanio con stechiometria La0.4Sr0.4TiO3 (LST) è stato scelto come anodo alternativo per le ottime proprietà possedute. Lo scopo del lavoro di tesi è stato quindi lo studio dell’influenza della natura dei precursori, delle condizioni di sintesi e dell’aggiunta di agenti porizzanti necessari per l’ottenimento della fase perovskitica pura e con porosità controllata. In un primo tempo è stata verificata la possibilità di ottenere la fase La0.4Sr0.4TiO3 pura mediante sintesi allo stato solido, trattando termicamente miscele di precursori diversi. I risultati ottenuti hanno evidenziato che l’utilizzo di nitrati metallici porta a risultati migliori rispetto all’utilizzo di carbonati ed ossidi poiché permette la formazione della fase perovskite a temperature inferiori e con una purezza maggiore. Poiché l’analisi elementare sui materiali preparati in questa prima fase ha evidenziato un problema sulla stechiometria, il metodo di sintesi è stato ottimizzato solubilizzando preventivamente i precursori di lantanio e stronzio e determinandone il titolo mediante ICP. Inoltre, sono state effettuate delle sintesi utilizzando TiO2 a diversa area superficiale, per verificare l’effetto sulle fasi formate di una maggior reattività di questo componente. Per completezza la perovskite è stata sintetizzata anche tramite sintesi sol-gel, utilizzando il metodo Pechini, ottenendo a 700°C la fase pura. L’analisi morfologica ha evidenziato che le polveri con caratteristiche migliori per la formatura sono quelle ottenute tramite sintesi allo stato solido. Le pastiglie prodotte, miscelando tali polveri e agenti porizzanti opportuni, hanno evidenziato la stabilità della fase perovskitica voluta ma anche la necessità di ottimizzare l’aggiunta del porizzante per avere una porosità adeguata all’applicazione del sistema quale anodo SOFC.

Politiofeni regioregolari funzionalizzati per applicazioni fotovoltaiche

Studi preliminari condotti dal gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi, avevano dimostrato che il poli[3-(6-bromoesil)tiofene] non regioregolare funzionalizzato con idrossifenilporfirina [TPPOH] può essere utilizzato con successo per la realizzazione di celle fotovoltaiche. Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale è stato quindi incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di un campione di poli[3-(6-bromoesil)tiofene] [PT6Br] ad elevata regioregolarità e sulla sua successiva funzionalizzazione con diverse percentuali di 5-(4-idrossifenil)-10,15,20-trifenilporfirina [TPPOH] per ottenere i copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfinil]esiltiofene)] [P(T6Br-co-T6TPP)], anch’essi con elevata percentuale di concatenamenti testa-coda, al fine di valutare se la regioregolarità del polimero sia in grado di migliorare l’efficienza fotovoltaica. Il campione che ha fornito i risultati migliori è stato poi ulteriormente testato eseguendo prove su celle trattate termicamente per tempi diversi, in modo tale da verificare come la durata del riscaldamento, che incide sull’organizzazione strutturale del materiale, influisca sulle prestazioni ottenibili dalla cella stessa. I prodotti polimerici sintetizzati sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR, UV-Vis), ne sono determinate le proprietà termiche ed i pesi molecolari medi e la relativa distribuzione, mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Le prestazioni delle celle fotovoltaiche realizzate utilizzando i copolimeri prodotti sono state misurate tramite un multimetro Keithley ed un Solar Simulator, che permette di riprodurre l’intero spettro della radiazione solare.

Untersuchungen zur Löslichkeit von Kobalt und Eisen in TiO 2-Bulk sowie in TiO 2-Nanoproben und deren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften

Co- und Fe-dotierte Rutil- und Anatas-Bulkproben wurden über einen Sol-Gel Prozess und anschließende thermische Behandlung dargestellt und auf ihre Zugehörigkeit zu der Gruppe der verdünnten magnetischen Oxide untersucht. Die Untersuchungen der dotierten Rutil-Proben mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und magnetischen Methoden zeigen, dass die Löslichkeit von Co und Fe in der TiO2-Modifikation Rutil sehr gering ist. Oberhalb von 1at% Co bzw. Fe wird neben Rutil die Bildung der Oxide CoTiO3 bzw. Fe2TiO5 beobachtet. Weitere thermische Behandlung im Argon-H2-Strom führte aufgrund der Bildung von metallischem Co bzw. Fe zu einem ferromagnetischen Verhalten. Die TiO2-Modifikation Anatas besitzt eine höhere Löslichkeit, so dass erst oberhalb von 4at% Co bzw. 10at% Fe die Phasen Co3O4 bzw. FeTiO3 neben Anatas auftreten. Entsprechende Proben zeigen ein paramagnetisches Verhalten. Oberhalb der Löslichkeitsgrenze führt die Reduktion im Argon-H2-Strom zu einem ferromagnetischen Verhalten, welches auf metallisches Co bzw. Fe zurückzuführen ist. Analog zu den Bulkproben wurden Co- und Fe-dotierte TiO2-Nanodrähte hergestellt. Das magnetische Verhalten der Fe-dotierten TiO2-Nanodrähte entspricht dem der Fe-dotierten Anatas-Bulkproben. Dagegen führt die Co-Dotierung nicht zu einem Einbau in die TiO2-Nanodrähte, sondern zur Bildung von CoOx-Nanopartikeln. Die entsprechenden Proben zeigen ein schwach ferromagnetisches Verhalten. Dies ist jedoch nicht auf eine ferromagnetische Dotierung der TiO2-Nanodrähte zurückzuführen, sondern auf nicht kompensierte Momente an den Oberflächen der als Verunreinigungen auftretenden CoOx-Nanopartikel. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Löslichkeit von Co und Fe in TiO2 für die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens zu gering ist. Der beobachtete Ferromagnetismus lässt sich eindeutig auf magnetische Verunreinigungen zurückführen. Somit können die dotierten TiO2 Proben nicht den verdünnten magnetischen Oxiden zugeordnet werden.

Partial melting within the lower crust – Constraints from bulk rock geochemical data and trace element mineral analyses of granulites and migmatites from Central Finland

This PhD thesis concerns geochemical constraints on recycling and partial melting of Archean continental crust. A natural example of such processes was found in the Iisalmi area of Central Finland. The rocks from this area are Middle to Late Archean in age and experienced metamorphism and partial melting between 2.7-2.63 Ga. The work is based on extensive field work. It is furthermore founded on bulk rock geochemical data as well as in-situ analyses of minerals. All geochemical data were obtained at the Institute of Geosciences, University of Mainz using X-ray fluorescence, solution ICP-MS and laser ablation-ICP-MS for bulk rock geochemical analyses. Mineral analyses were accomplished by electron microprobe and laser ablation ICP-MS. Fluid inclusions were studied by microscope on a heating-freezing-stage at the Geoscience Center, University Göttingen. Part I focuses on the development of a new analytical method for bulk rock trace element determination by laser ablation-ICP-MS using homogeneous glasses fused from rock powder on an Iridium strip heater. This method is applicable for mafic rock samples whose melts have low viscosities and homogenize quickly at temperatures of ~1200°C. Highly viscous melts of felsic samples prevent melting and homogenization at comparable temperatures. Fusion of felsic samples can be enabled by addition of MgO to the rock powder and adjustment of melting temperature and melting duration to the rock composition. Advantages of the fusion method are low detection limits compared to XRF analyses and avoidance of wet-chemical processing and use of strong acids as in solution ICP-MS as well as smaller sample volumes compared to the other methods. Part II of the thesis uses bulk rock geochemical data and results from fluid inclusion studies for discrimination of melting processes observed in different rock types. Fluid inclusion studies demonstrate a major change in fluid composition from CO2-dominated fluids in granulites to aqueous fluids in TTG gneisses and amphibolites. Partial melts were generated in the dry, CO2-rich environment by dehydration melting reactions of amphibole which in addition to tonalitic melts produced the anhydrous mineral assemblages of granulites (grt + cpx + pl ± amph or opx + cpx + pl + amph). Trace element modeling showed that mafic granulites are residues of 10-30 % melt extraction from amphibolitic precursor rocks. The maximum degree of melting in intermediate granulites was ~10 % as inferred from modal abundances of amphibole, clinopyroxene and orthopyroxene. Carbonic inclusions are absent in upper-amphibolite facies migmatites whereas aqueous inclusion with up to 20 wt% NaCl are abundant. This suggests that melting within TTG gneisses and amphibolites took place in the presence of an aqueous fluid phase that enabled melting at the wet solidus at temperatures of 700-750°C. The strong disruption of pre-metamorphic structures in some outcrops suggests that the maximum amount of melt in TTG gneisses was ~25 vol%. The presence of leucosomes in all rock types is taken as the principle evidence for melt formation. However, mineralogical appearance as well as major and trace element composition of many leucosomes imply that leucosomes seldom represent frozen in-situ melts. They are better considered as remnants of the melt channel network, e.g. ways on which melts escaped from the system. Part III of the thesis describes how analyses of minerals from a specific rock type (granulite) can be used to determine partition coefficients between different minerals and between minerals and melt suitable for lower crustal conditions. The trace element analyses by laser ablation-ICP-MS show coherent distribution among the principal mineral phases independent of rock composition. REE contents in amphibole are about 3 times higher than REE contents in clinopyroxene from the same sample. This consistency has to be taken into consideration in models of lower crustal melting where amphibole is replaced by clinopyroxene in the course of melting. A lack of equilibrium is observed between matrix clinopyroxene / amphibole and garnet porphyroblasts which suggests a late stage growth of garnet and slow diffusion and equilibration of the REE during metamorphism. The data provide a first set of distribution coefficients of the transition metals (Sc, V, Cr, Ni) in the lower crust. In addition, analyses of ilmenite and apatite demonstrate the strong influence of accessory phases on trace element distribution. Apatite contains high amounts of REE and Sr while ilmenite incorporates about 20-30 times higher amounts of Nb and Ta than amphibole. Furthermore, trace element mineral analyses provide evidence for magmatic processes such as melt depletion, melt segregation, accumulation and fractionation as well as metasomatism having operated in this high-grade anatectic area.

Mixtures of colloidal rods and spheres in bulk and in confinement

When non-adsorbing polymers are added to an isotropic suspension of rod-like colloids, the colloids effectively attract each other via depletion forces. Monte Carlo simulations were performed to study the phase diagram of such rod-polymer mixtures. The colloidal rods were modelled as hard spherocylinders; the polymers were described as spheres of the same diameter as the rods. The polymers may overlap with no energy cost, while overlap of polymers and rods is forbidden. In this thesis the emphasis was on the depletion effects caused by the addition of spheres on the isotropic phase of rod-like particles. Although most of the present experimental studies consider systems close to or beyond the isotropic-nematic transition, the isotropic phase with depletion interactions turns out to be a not less interesting topic. First, the percolation problem was studied in canonical simulations of a system of hard rods and soft spheres, where the amount of depletant was kept low to prevent phase separation of the mixture. The lowering of the percolation threshold seen in experiment is confirmed to be due to the depletion interactions. The local changes in the structure of the fluid of rods, which were measured in the simulations, indicated that the depletion forces enhance local alignment and aggregation of the rods. Then, the phase diagram of isotropic-isotropic demixing of short spherocylinders was calculated using grand canonical ensemble simulations with successive umbrella sampling. Finite size scaling analysis allowed to estimate the location of the critical point. Also, estimates for the interfacial tension between the coexisting isotropic phases and analyses of its power-law behaviour on approach of the critical point are presented. The obtained phase diagram was compared to the predictions of the free volume theory. After an analysis of the bulk, the phase behaviour in confinement was studied. The critical point of gas-liquid demixing is shifted to higher concentrations of rods and smaller concentrations of spheres due to the formation of an orientationally ordered surface film. If the separation between the walls becomes very small, the critical point is shifted back to smaller concentrations of rods because the surface film breaks up. A method to calculate the contact angle of the liquid-gas interface with the wall is introduced and the wetting behaviour on the approach to the critical point is analysed.