Θέματα Διπλωματικών Εργασιών Προπτυχιακών Φοιτητών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών

Η διπλωματική είναι σε συνεπίβλεψη με τον καθ. Α. Νένε του EPFL.

This diploma thesis investigates the dynamical properties of stochastic networks represented by discrete states with known transition rate constants. The research focuses on establishing a comprehensive framework that combines analytical solutions with Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations to characterize the time evolution of these systems. The study will specifically address two distinct regimes: closed systems where the detailed balance condition is satisfied and the rate constant matrix is stochastic, leading to a well-defined equilibrium; and open systems featuring absorbing states along their boundaries, which model irreversible processes such as physical aging of glasses. By rigorously comparing the KMC trajectories against the analytical master equation predictions, the project aims to validate the numerical approach and explore the statistical behavior of transition times and survival probabilities in non-equilibrium conditions. This work will provide insights into the reliability of kinetic simulations for complex networks and contribute to the theoretical understanding of both equilibrium relaxation and first-passage phenomena in stochastic processes.

This diploma thesis proposes a comprehensive computational investigation into the structural and optical properties of Egyptian Blue pigment (CaCuSi₄O₁₀​) and its alkaline-earth analogues where calcium is systematically replaced by strontium and barium. Using detailed Density Functional Theory (DFT) calculations, the project will simulate crystal structures, electronic band structures, and excited-state transitions to model both absorption and infrared emission spectra. By correlating the cation substitution with changes in the copper-centered chromophore environment, the research aims to elucidate the mechanisms behind the pigments' distinctive near-infrared photoluminescence.

The accurate quantification of accessible free volume within atomistic structures is fundamental for characterizing transport properties, porosity, and diffusion in dense fluids and porous materials. This diploma thesis proposes the development of neural network architectures designed to calculate this accessible free volume in well-defined archetypical atomic structures, specifically ensembles of non-overlapping spheres, fused sphere systems, and crystalline sphere packings. While traditional geometric algorithms provide exact solutions, they can become computationally prohibitive for large-scale or high-dimensional configurations requiring rapid sampling. By training regression models on systematically generated structural data, this research aims to establish a fast, data-driven alternative that approximates the geometric volume with high fidelity. The performance of the trained neural networks will be rigorously benchmarked against previously developed analytical solutions, which serve as the ground truth for validation. The project will ultimately assess the trade-off between computational efficiency and accuracy, determining whether machine learning offers a viable surrogate for complex geometric calculations or if the approach may lack viability in certain configurations compared to analytical solutions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αξιοποιούνται δεδομένα από πολλαπλές προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής διαμεμβρανικών μεταφορέων, με στόχο την ανάπτυξη μοντέλου Μηχανικής Μάθησης για την αυτόματη ταξινόμηση των δομικών τους καταστάσεων. Το προτεινόμενο μοντέλο εκπαιδεύεται ώστε να διακρίνει μεταξύ των διαμορφώσεων outward-facing, inward-facing και occluded, συμβάλλοντας στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς μέσω της κυτταρικής μεμβράνης.

Η τεχνολογία CRISPR-Cas έχει εξελιχθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια, επιτρέποντας την αποδοτική και στοχευμένη επεξεργασία του γονιδιώματος (π.χ. στόχευση μεταλλάξεων που σχετίζονται με ασθένειες). Στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας θα μελετηθεί η δυναμική πρωτεϊνών Cas με αυξημένη εξειδίκευση και βελτιστοποιημένη απόδοση στην επεξεργασία αλληλουχιών DNA-RNA. Στόχος είναι η ανάπτυξη αλγορίθμου Μηχανικής Μάθησης για την πρόβλεψη ενεργών διαμορφώσεων μη χαρακτηρισμένων πρωτεϊνών.

Πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με RNA μπορούν να υποστούν αυθόρμητη ή ενεργή συμπύκνωση, σχηματίζοντας διακριτά σωματίδια μέσω διαχωρισμού φάσης. Αυτά τα συμπυκνώματα λειτουργούν ως πυρήνες για διάφορες φυσιολογικές διεργασίες, ενώ η απορρύθμισή τους οδηγεί σε ασθένειες. Στη διπλωματική θα μελετηθούν μηχανισμοί ελέγχου (δημιουργία & διάλυση) αυτών των συμπυκνωμάτων και θα σχεδιαστούν βιομόρια για τον έλεγχό τους με μεθόδους Μοριακής Δυναμικής.

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΕΙΡΗΝΗ ΓΟΥΔΕΛΗ, Αναπλ. Καθ. Χημ. Μηχ. Παν/μιο Πατρών (πληροφορίες: eirini.goudeli@unimelb.edu.au)

The high reaction temperatures (>3000 K) accessible in aerosol synthesis routes, such as flame spray pyrolysis, allow for rapid nucleation and nanoparticle growth, while downstream in the aerosol reactor rapid quenching (cooling rates of >10⁴ K/s) takes place. This delicate control of high-temperature particle residence time in the flame allows capturing non-equilibrium nanostructures that are not in their lowest energy state but are stable under specific conditions, kinetically trapping them upon rapid cooling. This has led to the successful manufacture of high entropy materials (HEMs), metastable structures [1] and, nanomaterials with engineered defects containing more than 20 components [2].

Recently, FSP has been used to engineer an array of thermodynamically unstable nanomaterials, such as photocatalysts for pollutant removal [3], and molecular sensing of volatile organic compounds [1], circumventing the thermodynamic immiscibility limitations of solids. Thus, fundamental understanding of the thermodynamics and kinetics of defects and phase transitions during flame aerosol synthesis is at the heart of modern material design and innovation. 

Coalescence is dominant at high temperatures of the flame, while sintering (partial coalescence) may still take place even at low temperatures further downstream in the flame, especially for small (sub-5 nm) nanoparticles (e.g., see Fig. 2) [4] that exhibit melting points far below the bulk one [5]. Coalescence and sintering can alter the configurational order of HEMs by providing diffusion pathways that allow partial or full reorganization, potentially leading towards ordering, segregation or phase separation. Thus, the system can depart from high-entropy configurations even if the composition remains multicomponent. In this project, the effect of coalescence on short-range order would be elucidated as a function of the nanoparticle size, initial crystalline state, and process temperature, following the approach of Goudeli and Pratsinis [6]. Easy-to-use expressions for the HEMs coalescence rate will be proposed as a function of flame process parameters that can be readily used in particle dynamics models for process design.

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΕΙΡΗΝΗ ΓΟΥΔΕΛΗ, Αναπλ. Καθ. Χημ. Μηχ. Παν/μιο Πατρών (πληροφορίες: eirini.goudeli@unimelb.edu.au)

Non-equilibrium nanomaterials are rapidly emerging owing to their unparalleled catalytic, electrochemical and sensing properties. By accessing compositions and crystal phases unattainable under equilibrium conditions, they can unlock potential for advanced materials in catalysis, healthcare, and energy applications, outperforming conventional equilibrium materials. These otherwise unattainable non-equilibrium nanostructures can be captured in flame synthesis methods those by kinetically “trapping” them upon rapid heating-cooling. Little is known, however, about the role of operating conditions and reactor design on crystal phase formation and compositional homogeneity. 

This project atomistic-level simulations would be used to explore how multi-metallic high entropy materials (HEMs) with well-controlled nanostructured characteristics form in flames. Amorphous multicomponent nanoparticles would be generated upon extreme heating to mimic nanoparticle formation at the high temperature region of the flame. A Fe/Co/Ni/Mo/Cu composition would be used as a model HEM, upon validation of available interatomic potentials [1]. 

The crystallization of these nanoparticles would be simulated by molecular dynamics (MD) simulations upon cooling at different target temperatures. The effect of temperature history on the kinetic trapping of high entropy alloys would be explored by XRD calculations of the MD-obtained atomic trajectories, Steinhardt parameters [2], and disorder variable [3] analysis to quantify the local crystalline structure. Distinct crystallization pathways that may occur depending on the cooling rate will be investigated, as demonstrated by such simulations for Au (Fig. 1) [4].

The role of process conditions on atomic mixing would also be explored, identifying conditions that lead to good atomic-scale mixing versus segregation, for a range of atomic compositions. The short-range order and potential non-random local bonding would be described by radial distribution function calculations and bond length distribution analysis. These metrics would be also used to determine metal-oxygen bond lengths within high-entropy oxide nanoparticles, aiming to reveal the mechanism by which oxygen vacancies affect the nanostructure. This project will contribute to the rational design of truly new non-equilibrium nanostructured materials by advancing the knowledge base of their formation by a proven scalable synthesis technology. A systematic investigation of process conditions affecting structural, compositional, and physical properties of HEMs will establish structure-property relationships, essential for process scale-up and industrial exploitation.

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΕΙΡΗΝΗ ΓΟΥΔΕΛΗ, Αναπλ. Καθ. Χημ. Μηχ. Παν/μιο Πατρών (πληροφορίες: eirini.goudeli@unimelb.edu.au)

The aviation sector is a major contributor to anthropogenic climate change and among the most difficult sectors to decarbonize as it requires high-energy-density liquid fuels, strict safety and operation requirements, and long travel distances of aircraft fleets. Sustainable aviation fuels (SAFs) offer a realistic pathway for sustainable emission reductions, while being compatible with existing engines and infrastructure. So, bio-derived and synthetic jet fuels are being developed through a range of routes, including lipid-based pathways, alcohol upgrading, biomass-derived intermediates, and power-to-liquid processes. Even though demonstration of feasibility of SAFs (yield, selectivity, and basic fuel properties) has been largely explored, a mechanistic understanding of the effect of molecular structure, reaction pathways, and catalyst on final fuel composition and quality is limited. In addition, owing to the lack of kinetic information (activation energies, reaction rate constants, structure-activity relationships), catalyst development and pathway selection remains empirical.

Reactive atomistic simulations (ReaxFF) allow tracking of atomic position and velocities while explicitly accounting for chemical reactions. Recently, the catalytic combustion of p-menthane, a bio-derived isoprenoid fuel, over Pd and Pt nanocatalysts (Fig. 3), revealing that Pd-rich catalysts may require alloying or engineering to mitigate coke deposition, while Pt catalysts promote efficient low-temperature oxidation [1].

In this project, literature review will focus on existing and emerging jet biofuel pathways, identifying reaction classes and catalysts. Following the approach of Wang et al. [1], the catalytic conversion of selected jet-fuel-range hydrocarbons will be explored by ReaxFF simulations, and the effect of process conditions (temperature, pressure) and catalyst type and characteristics on catalytic performance and reaction pathways will be elucidated for different SAFs and blending ratios. The developed framework will support rational catalyst selection and discovery of new sustainable jet-fuel components.

(Modelling of the self-pressurization in liquid hydrogen tanks).

Ενδεικτική δημοσίεση: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.154071

(Anomaly/Fault detection using AI/ML and deep Neural Networks) 

Ενδεικτική δημοσίεση: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c04042  

(Thermochemical Properties Prediction using Artificial Inteligence/Machine Learning) 

Ενδεικτική δημοσίεση: http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpca.9b04771

(Modelling of Smart Grids for Electricity Production from Renewable Enegy)

Ενδεικτική δημοσίεση: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.117  

Σε συνεργασία με τον κ. Αλέξανδρο Κατσαούνη

Σε συνεργασία με τον κ. Αλέξανδρο Κατσαούνη

Τα αντιμικροβιακά πεπτίδια παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον στην αντιμετώπιση της αντιμικροβιακής αντίστασης. Η πλειοψηφία αυτών δρα διαταράσσοντας τη δομή της κυτταρικής μεμβράνης, ενώ ο ακριβής τρόπος δράσης τους είναι συνάρτηση των εγγενών ιδιοτήτων και της συγκέντρωσης των πεπτιδίων, όπως και της σύστασης της μεμβράνης. Οι υπολογιστικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως για να συμπληρώσουν τις πειραματικές παρατηρήσεις σε ό,τι αφορά το μηχανισμό δράσης αντιμικροβιακών πεπτιδίων. Ο συνδυασμός πειράματος και υπολογισμών μπορεί να δώσει μια πληρέστερη εικόνα της δράσης των εν λόγω πεπτιδίων και να καθοδηγήσει τον ορθολογικό σχεδιασμό νέων θεραπευτικών πεπτιδίων.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθούν τα προφίλ της ελεύθερης ενέργειας (potential of mean force, PMF) και η γενικότερη συμπεριφορά αντιμικροβιακών πεπτιδίων προερχόμενων από κερατίνη (keratin-derived antimicrobial peptides, KAMPs), όταν αυτά εισέρχονται στη βακτηριακή μεμβράνη υπό την εφαρμοφή εικονικών εξωτερικών δυνάμεων (μεροληπτικά δυναμικά). Τα KAMPs αποτελούν μια ενδιαφέρουσα και ασυνήθιστη περίπτωση αντιμικροβιακών πεπτιδίων, λόγω της μη-κανονικής τριτοταγούς δομής τους, χαρακτηριστικό που έρχεται σε αντίθεση με την πλειοψηφία των ενεργών πεπτιδίων τα οποία παρουσιάζουν οργανωμένη δομή (κυρίως α-έλικες και β-φυλλώσεις).

Ο φοιτητής θα εξοικειωθεί αρχικά με το υπολογιστικό περιβάλλον στο οποίο θα εκτελεθούν οι μοριακές προσομοιώσεις και η ανάλυση αυτών. Συγκεκριμένα, ο φοιτητής θα εκπαιδευτεί στην περιήγηση σε περιβάλλον Linux, στη χρήση bash και Python, στη χρήση υπολογιστικών πακέτων για μοριακές προσομοιώσεις (GROMACS), και στην κατανόηση και αξιοποίηση υπολογιστικών πόρων υψηλής απόδοσης (High Performance Computing, HPC). Σε δεύτερο στάδιο, θα εκπαιδευτεί στις αρχές της μοριακής δυναμικής και σε μεθόδους εμπλουτισμένης δειγματοληψίας, με έμφαση στη δειγματοληψία με μεροληπτικά δυναμικά (δειγματοληψία «ομπρέλας», umbrella sampling), θα προετοιμάσει και θα εκτελέσει τις αντίστοιχες προσομοιώσεις, και θα υπολογίσει, μεταξύ άλλων, το PMF για την είσοδο των KAMPs στη βακτηριακή μεμβράνη.

Η αυξανόμενη αδυναμία της σύγχρονης κοινωνίας να αντιμετωπίσει το φαινόμενο της αντιμικροβιακής αντίστασης, καθώς και να περιορίσει την εξάπλωση νέων ιών (π.χ. SARS-CoV-2), καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη εναλλακτικών θεραπευτικών στρατηγικών. Στο πλαίσιο αυτό, τα συστήματα που βασίζονται στην ενθυλάκωση δραστικών ενώσεων αναδεικνύονται ως ιδιαίτερα υποσχόμενες προσεγγίσεις. 

Μεταξύ αυτών, τα νανοσωματίδια μεσοπορώδους σίλικας θεωρούνται μία από τις πλέον αποτελεσματικές πλατφόρμες στοχευμένης χορήγησης αντιμικροβιακών παραγόντων, λόγω της εύκολης σύνθεσής τους, της βιοσυμβατότητας και της σταθερότητάς τους. Η ενθυλάκωσή αντιμικροβιακών ουσιών φυσικής προέλευσης, όπως τα συστατικά αιθέριων ελαίων, στους πόρους των νανοσωματιδίων μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα και τη διαλυτότητά τους, ενώ παράλληλα περιορίζει την ταχεία εξάτμιση και αποικοδόμησή τους, συμβάλλοντας έτσι στην ελεγχόμενη απελευθέρωσή τους.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, ο/η φοιτητής/τρια θα επικεντρωθεί στη μελέτη της ενθυλάκωσης συστατικών αιθέριων ελαίων σε πόρους σίλικας. Αρχικά, θα πραγματοποιηθεί ο σχεδιασμός μοντέλων πόρων σίλικας, και στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν ατομιστικές προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (all-atom molecular dynamics simulations, MD) για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των μορίων στο εσωτερικό των πόρων. Η μελέτη θα επικεντρωθεί στον υπολογισμό ιδιοτήτων όπως η διαχυτότητα και η κινητικότητα των μορίων, στην κατανομή τους εντός των πόρων και στις αλληλοεπιδράσεις που αναπτύσσονται, με τελικό σκοπό την εξοικείωση του/της φοιτητή/τριας με υπολογιστικά εργαλεία και μεθοδολογίες προσομοιώσεων που χρησιμοποιούνται στην ερευνητική ομάδα. 

Τα μικκυλιακά διαλύματα είναι υδατικά διαλύματα τασιενεργών, δηλ. ενώσεων που περιέχουν μια υδρόφιλη κεφαλή και μια υδρόφοβη ουρά. Με την αύξηση της συγκέντρωσης των τασιενεργών ουσιών παρουσία ηλεκτρολύτη, τα μικκύλια δύναται να ενωθούν μεταξύ τους σχηματίζοντας δομές που ποικίλουν στα χαρακτηριστικά και την μορφολογία τους ανάλογα με τις τιμές αυτών των συγκεντρώσεων. Η  μοναδική ιδιότητα των τασιενεργών να τροποποιούν τη διεπιφανειακή τάση μεταξύ δύο φάσεων (υγρού-υγρού, υγρού-στερεού, υγρού-αερίου) τα καθιστά εξαιρετικά σημαντικά συστήματα σε πλήθος βιομηχανικών διεργασιών όπως και σε βασικά προϊόντα καθημερινής χρήσης όπως (καθαριστικά, απορρυπαντικά, καλλυντικά, σαμπουάν, φαρμακευτικά σκευάσματα κ.α. 

Οι ρεολογικές ιδιότητες των μικκυλιακών διαλυμάτων είναι σημαντικές, καθώς επηρεάζουν τόσο τη διεργασία παραγωγής όσο και τις τελικές ιδιότητες των προϊόντων. Για παράδειγμα, σε προϊόντα προσωπική υγιεινής όπως τα σαμπουάν, επηρεάζουν την σταθερότητα και την αίσθηση που δημιουργείται κατά την χρήση (υφή, ευκολία εφαρμογής κ.α.)2. 

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε τις ιδιότητες αυτές για διαλύματα σκωληκόμορφων μικκυλίων που, όπως το όνομα υποδηλώνει, το σχήμα και κατ’ επέκταση η συμπεριφορά τους, μοιάζει πολύ με αυτά των πολυμερικών αλυσίδων.  Θα χρησιμοποιηθεί κώδικας (τύπου δυναμικής κατά Brown) που έχει σχεδιαστεί ειδικά για τα συγκεκριμένα συστήματα στη βάση του μοντέλου των ολισθαίνοντων ελατηρίων (slip-spring) και λαμβάνει υπόψη τα φαινόμενα συνένωσης ή διάσπασης των μικκυλίων.

Η μελέτη θα αφορά στην επίδραση που έχει το μέγεθος και οι ρυθμοί ένωσης και διάσπασης των μικκυλίων, αλλά και άλλες παράμετροι, στη συνάρτηση του διατμητικού μέτρου χαλάρωσης, στο ιξώδες και στο χρόνο χαλάρωσης αυτών των συστημάτων. Παράλληλα, θα διερευνηθεί η λειτουργεία του προσομοιωτή και η απόκρισή του στις μεταβολές συγκεκριμένων παραμέτρων του προβλήματος 

H in situ φασματοσκοπία Laser Raman και η in situ φασματοσκοπία FTIR σε υψηλές θερμοκρασίες θα χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη και κατανόηση της δομής υποστηριγμνένων καταλυτών ΜοΟ3 πάνω σε φορέα μονοκλινικού ZrO2 σε μοριακό επίπεδο.

 Σε συνεργασία με Δρ. Βαρβάρα Συγγούνη, και ΥΔ. Χριστίνα Μιχαλοπούλου