Modelování uhlíkových nanomateriálu a jejich interakcí

Mgr. Michal LANGER

Disertační práce

Modelling of carbon nanomaterials and their interactions

Abstract:

Modelling the physicochemical properties of systems using supercomputers is one of the established approaches in chemistry today. It can complement experiments and/or shed light on phenomena that are not accessible by any experimental technique. In my research, I have focused mainly on carbon dots (CDs), but also on other nanosystems such as graphene derivatives and perovskites. CDs can be prepared from different precursors under different external conditions, resulting in different types of CDs that exhibit fluorescence. The application potential of CDs for biological imaging, sensing, etc. is promising, however, the unresolved photoluminescence of CDs needs to be addressed first. In this work, I show that we have been able to address various questions in the CD field using different theoretical approaches, e.g., molecular dynamics (MD) simulations, calculations based on time-dependent density functional theory (TDDFT), and the second-order coupled cluster model CC2. We have provided atomistic details of the dynamics and structural arrangement of quasi-spherical CDs. Our MD simulations also demonstrated the tendency of the molecular fluorophore IPCA to non-covalently bind to or incorporate into CDs. Conformational space sampling then helped us to generate configurations of IPCA and CD molecules whose optical properties were revealed by TDDFT calculations in gas and water and quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations in the CD environment. A combination of density functional theory (DFT) calculations and/or MD simulations and experiments then supported the explanation of the quenching of CD fluorescence after the phase transition.

Abstract:

Modelování fyzikálně-chemických vlastností systémů pomocí superpočítačů je dnes jedním ze zavedených přístupů v chemii. Může doplňovat experimenty a/nebo osvětlit jevy, které nejsou přístupné žádnou experimentální technikou. Ve svém výzkumu jsem se zaměřil především na uhlíkové tečky (CD), ale také na další nanosystémy, jako jsou deriváty grafenu a perovskity. CD lze připravit z různých prekurzorů za různých vnějších podmínek, což vede k různým typům CD, které vykazují fluorescenci. Aplikační potenciál CDs pro biologické zobrazování, sensoriku atd. je slibný, nicméně je třeba nejprve plně porozumět fotoluminiscenci CDs. V této práci ukazuji, že se nám podařilo řešit různé otázky v oblasti CD pomocí různých teoretických přístupů, např. molekulární dynamiky (MD), výpočtů založených na časově závislé teorii funkcionálu hustoty (TDDFT), metody vázaných klastrů CC2 apod. Poskytnuli jsme atomistické podrobnosti o dynamice a strukturním uspořádání kvazisférických CD. Naše MD simulace také prokázaly tendenci molekulárního fluoroforu IPCA nekovalentně se vázat na CDs nebo se do nich začleňovat. Vzorkování konformačního prostoru nám pak pomohlo vytvořit konfigurace molekul IPCA a CD, jejichž optické vlastnosti byly studováný pomocí TDDFT výpočtů v plynu a vodě a pomocí kombinace kvantové mechaniky/molekulové mechaniky (QM/MM) v prostředí CD. Kombinace výpočtů teorie funkcionálu hustoty (DFT) a/nebo MD simulací a experimentů pak podpořila vysvětlení zhášení fluorescence CD po fázovém přechodu.

Keywords

Uhlíkové tečky, molekulové modelování, molekulová dynamika, časově závislá teorie funkcionálu hustoty, samo-uspořádání, optické vlastnosti, fotoluminiscence

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 12. 7. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Fyzikální chemie