Academic literature on the topic 'Simulazione molecolare'

L'Aferesi Terapeutica (AT) è una tecnica di depurazione extracorporea che, separando il plasma dalle cellule ema-tiche, può rimuovere soluti patogeni di elevato peso molecolare (PM), come auto-anticorpi, immunocomplessi, catene leggere e così via. La cinetica dei soluti in corso di AT è basata sugli stessi principi di farmaco-cinetica utilizzati per i pazienti in emodialisi (HD), ma i soluti coinvolti nell'AT hanno un PM molto più elevato. Dal momento che quasi tutti i soluti a elevato PM hanno una distribuzione essenzialmente intravascolare e/o sono rimossi quasi esclusivamente dal volume plasmatico (VP), per prescrivere la “dose di Aferesi” si potrebbe correntemente usare il Kt/V derivato dal modello single-pool: la prescrizione di una rimozione di un volume pari a 1.2–1.4 volte il VP del paziente in pratica corrisponde a un Kt/V di 1.2–1.4 per un soluto il cui volume di distribuzione coincide con il VP. Tuttavia, in generale, per descrivere la cinetica dei soluti anche tra le sedute di aferesi è necessario un modello multicompartimentale. Recentemente, Hanafusa ha usato un modello bicompartimentale per eseguire una serie di simulazioni, al fine di analizzare l'impatto dei vari parametri sulla cinetica dei soluti nell'AT. In breve, i principali risultati di tali simulazioni sono stati i seguenti: a) il PM del soluto di interesse può aiutare a scegliere la tecnica aferetica più appropriata; b) un volume di distribuzione più piccolo permette una rimozione più efficiente; c) sia la velocità di diffusione intercompartimentale che l'emivita (che è inversamente correlata alla velocità di produzione) impattano sulla frequenza del trattamento; d) sia la severità della malattia che la presenza di sanguinamento e/o di infezione possono impattare non solo sulla dose, ma anche sulla scelta della modalità di AT e dei fluidi di sostituzione.

Recentemente l’elettronica organica sta attraendo grande interesse, a causa della possibilità di produrre dispositivi a basso costo, flessibili, di grandi dimensioni e leggeri. In più sono sempre più numerosi gli studi che riportano l’utilizzo di uno o più materiali biologici nella fabbricazione di questi dispositivi, dal momento che crescono le richieste, soprattutto in ambito medico e ambientale, di strumenti capaci di interagire con il corpo umano e l’ambiente esterno. Per cercare quindi di potenziare l’efficienza di dispositivi organici e bio-organici è utile ottimizzare le proprietà elettroniche e morfologiche dei materiali costituenti il dispositivo. Per fare ciò risultano molto utili studi computazionali che permettono di comprendere la correlazione tra proprietà morfologiche ed elettroniche. In questo lavoro di tesi sono stati studiati due materiali: la fibroina, proteina maggioritaria estratta dalla seta del baco Bombyx mori, come materiale dielettrico e il PTCDI-C13, un composto organico derivato dalla perilene diimmide, come materiale semiconduttore. Questi due materiali formano gli strati attivi di un bio-OFET. Al fine di investigare le proprietà morfologiche strutturali di questi materiali sono state utilizzate le tecniche di simulazione di dinamica molecolare. Sono stati effettuati studi morfologici sulle rugosità superficiali e strutturali, analizzando le proprietà morfologiche e strutturali dei materiali e delle relative interfacce, anche in relazione ai vari trattamenti termici simulati al fine di poter correlare il processing al miglioramento delle performance globali. In più, dal momento che il PTCDI-C13 è un materiale cristallino, si è cercato anche di stabilire l’ordine locale degli aggregati di PTCDI-C13 depositati su fibroina. Le simulazioni hanno inoltre evidenziato un miglioramento della morfologia della superficie esposta rispetto alla fibroina isolata, marcando il ruolo fondamentale che ha questo strato nell’architettura OFET.

2012/2013
Le recenti scoperte sulla natura dei processi genetici, implicati nelle trasformazioni neoplastiche, ci hanno permesso di identificare le principali lesioni cellulari che portano alla formazione del tumore, individuando in questo modo target selettivi sulla base dei quali progettare nuovi agenti terapeutici efficaci. La terapia bersaglio ha rappresentato una rivoluzione permettendo di superare l’aspecificità del trattamento antitumorale e colpendo, nello specifico, la causa biomolecolare del processo patologico neoplastico. I recenti sviluppi della modellistica molecolare si sono resi indispensabili per la ricerca oncologica. Questi, infatti, aprono delle opportunità per la scoperta di nuovi farmaci attraverso la comprensione delle basi molecolari delle malattie; si tratta di un metodo conveniente per identificare dei composti che siano in grado di bloccare l’azione di molte proteine, suggerite come fattori fondamentali in diversi tipi di neoplasie. In questo lavoro di tesi verrà adoperata un’ampia gamma di tecniche di simulazione molecolare al fine di studiare differenti problemi che possono comparire durante il trattamento chemioterapico. La scoperta di nuovi dettagli nei meccanismi che conducono alla carcinogenesi ha permesso di identificare proteine target innovative e più precise per affrontare la terapia senza effetti collaterali per le cellule sane. In particolare, saranno riportati in dettaglio gli studi che coinvolgono tre nuovi differenti target: il recettore σ1, la proteina -catenina e lo sviluppo di dendrimeri per una terapia di silenziamento genico. Tuttavia, nonostante i successi clinici della terapia bersaglio, molti pazienti che inizialmente hanno risposto positivamente manifestano una recidiva, come risultato di una resistenza acquisita; questo tipo di risposta può manifestarsi dopo un periodo variabile di trattamento cronico. L’approccio delle tecniche in silico può essere utilizzato per predire l’avvento di mutazioni secondarie attivanti e al contempo resistenti alla terapia e quindi aiutare nello sviluppo di una strategia di prevenzione focalizzata su una terapia multi-farmaco. In questo lavoro, verranno discusse in particolare delle mutazioni che coinvolgono i recettori c-Kit e Smoothened, pre e post trattamento. L’ampia serie di esempi illustrati e discussi qui enfatizza il ruolo e le potenzialità del modeling molecolare nello sviluppo della terapia bersaglio anti tumorale. Una valutazione in silico permette di prendere in considerazione la specificità molecolare del problema e ridurre drasticamente i tempi e i costi richiesti per formulare nuovi farmaci e strategie di intervento.
XXVI Ciclo
1986

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è l’individuazione di inibitori delle proteine NLP attraverso l’uso di simulazioni di screening virtuale (VS) e dinamica molecolare (DM) basata su campi di forza classici. Le NLP (Necrosis and ethylene-inducing peptide 1–like) sono proteine secrete da batteri, funghi e oomiceti, responsabili delle infezioni causate alle piante solanacee. Sfruttando le conoscenze strutturali di queste proteine e la recente individuazione del sito di legame del loro substrato, sono state effettuate delle simulazioni di VS su grandi database di molecole commercialmente disponibili per individuare un set di molecole capaci di legarsi alle NLP e di inibirne quindi l’azione citolitica. Un sottoinsieme di molecole è stato selezionato per raffinarne le pose tramite simulazioni di DM in presenza del solvente e a temperatura e pressione ambiente. Da queste simulazioni sono state selezionate alcune molecole la cui capacità di inibire le proteine NLP sarà testata in vitro in lavori successivi.

La DNA topoisomerasi I umana rilassa il DNA superavvolto attraverso la formazione di un intermedio covalente nel quale la tirosina del sito attivo è legata in maniera transiente al filamento di DNA scissile. Le proprietà strutturali e dinamiche di varie forme di questo enzima, sia in complesso con 22 coppie di basi di DNA che in forma libera, sono state studiate tramite simulazioni di Dinamica Molecolare classica. In particolare sono stati simulati i seguenti sistemi: i complessi DNA-topo58/6.3, topo70-DNA, topoT718A-DNA e l’enzima in assenza di DNA. La forma ricostituita topo58/6.3 della topoisomerasi I umana, è priva del dominio N-terminale e del dominio linker, mentre la forma topo70 è priva solamente del dominio N-terminale. Le analisi sul complesso DNA-topo58/6.3, hanno evidenziato un gran numero di moti correlati trai i residui dei subdomini del core I e II ed un ruolo chiave dell’elica 5 nella comunicazione proteina-DNA, in particolare con lo strand scissile, a valle del sito di taglio. Inoltre sono state studiate l’influenza del dominio linker e dei residui 203-214 all’N-terminale sui movimenti proteici del complesso enzima-DNA, attraverso il paragone delle simulazioni del sistema in presenza (topo70) o in assenza (topo58/6.3) di queste regioni. Topo58/6.3 presenta delle fluttuazioni maggiori rispetto a topo70, ad indicare che la presenza del dominio linker e dei residui N-terminali, attenuano le fluttuazioni dei domini core e C-terminale. La simulazione di del mutante Thr718Ala della topoisomerasi I in complesso con il DNA, mostra come la singola mutazione conferisca un comportamento dinamico differente all’enzima rispetto al wild-type. Da notare che le differenze non si osservano in prossimità del sito attivo, mentre si individua una diversa flessibilità nelle regioni della proteina che contattano lo strand scissile del DNA, come il linker e le “V-shaped” α-eliche. I risultati della simulazione indicano una comunicazione diretta tra il sito di mutazione e regioni che si trovano relativamente distanti, come il dominio linker, che, con la sua alterata flessibilità, conferisce all’enzima una ridotta efficienza nel rilassamento del substrato desossi-ribo-nucleo-proteico. Le proprietà dinamiche e strutturali della DNA topoisomerasi I umana sono state studiate anche attraverso il paragone del sistema con e senza DNA. Le simulazioni mostrano che la perturbazione di carica introdotta all’interfaccia delle lips per rimuovere il ponte salino e le interazioni elettrostatiche deboli come i legami a idrogeno, induce l’apertura della clamp (morsa) proteica e permette di osservare, per la prima volta, la separazione dei due lobi principali dell’enzima e la conseguente apertura dell’enzima. Inoltre la simulazioni permettono di identificare un “perno” attorno al quale i due lobi dell’enzima ruotano durante il movimento d’apertura. Infine, la grande stabilità esibita dalla conformazione aperta dell’enzima, suggerisce quest’ultima come una delle conformazioni più probabili dell’enzima in assenza di DNA.
Human DNA topoisomerase I relaxes supercoiled DNA through the formation of a covalent intermediate in which the active-site tyrosine is transiently bound to the cleaved DNA strand. The structural and dynamical properties of various forms of this enzyme, both in complex with a 22bp DNA duplex and alone, have been investigated by Molecular Dynamics simulations. In detail, the simulations involved the following forms of the enzyme: the complexes DNA-topo58/6.3, DNA-topo70, DNA-topoT718A and the enzyme in the absence of DNA. The topo58/6.3 form of human topoisomerase I lacks the N-terminal and the linker domain while the topo70 form lacks only the N-terminal domain. The analyses on the DNA-topo58/6.3 complex showed a great number of correlated movements of core subdomain I and II residues, and a central role for helix 5 in the protein-DNA communication, in particular with the scissile strand downstream of the cleavage site. The comparison between topo70-DNA and topo58/6.3-DNA complexes Furthermore, the influence of the N-terminal residues 203–214 and the linker domain on motions in the human topoisomerase I-DNA complex has been investigated by comparing the molecular dynamics simulations of the system with (topo70) or without (topo58/6.3) these regions. Topo58/6.3 is found to fluctuate more than topo70, indicating that the presence of the N-terminal residues and the linker domain dampens the core and C-terminal fluctuations. The MD simulation carried out on the T718A mutant enzyme complexed with its DNA substrate indicates that the single mutation confers a different dynamical behaviour compared to the wild-type enzyme. Interestingly, no changes are observed in the proximity of the mutation site, while a different flexibility is detected in regions contacting the DNA scissile strand, such as the linker and the V-shaped α-helices. The simulation results indicate a direct communication between the mutation site and regions located relatively far away, such as the linker domain, that, with their altered flexibility, confer a reduced DNA relaxation efficiency. The structural and dynamical properties of the human topoisomerase I, have also been investigated comparing the molecular dynamics simulations of the system with and without DNA. The simulations show that a charge perturbation of the salt bridge and of the hydrogen bonds present on the lips, induces the opening of the protein “clamp” and allows to observe, for the first time, that the two principal lobes of the enzyme can separate from each other to open the “clamp”. Furthermore the simulations allows to localize a hinge around which the protein lobes rotate during the opening. The stability shown by the open conformation of the enzyme suggests that we are sampling the most probably conformation, that corresponds to the open structure of the enzyme in the absence of its substrate.

Nella moderna e attuale ricerca di prodotti sempre più piccoli, più veloci, più efficienti e selettivi, la realizzazione di materiali con arrangiamenti spaziali microscopici ben definiti, è di vitale importanza per la creazione di nuovi dispositivi elettronici, ottici o magnetici. Un modo potenzialmente attraente di assemblaggio e mantenimento di strutture microscopicamente controllate è quello di utilizzare materiali a base molecolare. La ricerca nel campo del magnetismo molecolare è principalmente focalizzata a sistemi molecolari contenenti un numero finito di ioni magnetici accoppiati. Questo tipo di nano-molecole magnetiche, chiamate magneti a singola molecola (in inglese single molecole magnets SMMs) si trovano nella linea di confine tra a fisica classica e quantistica. Infatti, da un punto di vista esse mostrano fenomeni classici come il lento rilassamento della magnetizzazione e un’isteresi magnetica molto estesa. Dall’altro tali strutture sono di dimensioni tali da mostrare fenomeni quantistici. I materiali magnetici molecolari, in particolare le SMMs, mostrano fenomeni di bistabilità magnetica e il più importante fenomeno di tunnelling magnetico. Che è un puro fenomeno quantistico. Sono queste caratteristiche fisiche quelle che permettono le numerose applicazioni di tali strutture ma soprattutto il loro utilizzato come strumenti di immagazzinamento dati di dimensioni nanometriche o qbits per la realizzazione di computer quantistici. In base al tipo di applicazione tecnologica richiesta, è possibile, ad oggi, realizzare una struttura molecolare ad hoc, in grado di sopperire a tutte richieste funzionali. Per raggiungere un tale obiettivo è necessario conoscere e capire appieno il comportamento di tali molecole e per questo, sono necessarie sia informazioni ottenute da metodi sperimentali, sia informazioni ottenute da modellizzazione. L’argomento principale della mia ricerca si basa sull’implementazione di un semplice strumento di simulazione – al quale ho assegnato il nome PRAXIS – che permette di simulare e comprendere e le principali proprietà termodinamiche e magnetiche delle SMMs. PRAXIS è stato sviluppato facendo uso di un accurato schema basato sulle metodologie del software engineering e con due ben precisi scopi: il primo, è quello di verificare i dati ottenuti sperimentalmente mentre, il secondo, è quello di prevedere il comportamento di tali strutture magnetiche in differenti situazioni in modo da rendere più adeguata la loro sintesi per specifiche applicazioni tecnologiche. Come ulteriore sviluppo delle sue funzionalità, c’è la possibilità di auto-assemblare teoricamente un gran numero di molecole e di simulare il loro comportamento in una vasta gamma di differenti situazioni.
In modern and contemporary research focused on the manufacture of smaller, faster, efficient and selective products, the production of materials with a well-defined microscopic spatial arrangements, it is of vital importance for the creation of new electronic, optical or magnetic devices. A potentially attractive way of assembly and maintain such microscopically controlled structures, is the use of molecular based materials. The research on the field of molecular magnetism, is mainly focused on molecular systems containing a finite number of coupled magnetic ions. This type of magnetic nano-molecules, generally called single magnetic molecules – SMMs, are objects placed in between of the classical and quantum physics. In fact, from a classical point of view, these structure shows phenomena such as: the slow relaxation of the magnetization and a widespread magnetic hysteresis. On te contrary, due to their dimensions, such structure can also shows quantum phenomena. The molecular magnets, indeed, are characterized by phenomena like the magnetic bistability e the most important feature of the magnetic quantum tunnelling, which is a purely quantum phenomena. These are some physical characteristics of SMMs that allow a wide range of applications of which we found their use as tools for data storage and nan-scale qbits used for the realization of quantum computer. Depending on the required applications, it is possible, today, synthetize an ad hoc molecular structure able to meet all the functional requirements. To achieve this objective, it is necessary to know and fully understand the behaviour of these molecules and therefore, are needed detailed information from the experimental methods, as well as, information obtained by theoretical models. The main topics of research: implementation of a simply simulation tool – PRAXIS - that permit the understanding of the magnetic properties of the SMMs, to verify the experimental data or to be used as experimental data predictor in order to synthetize ad hoc magnetic molecular clusters with improved properties for Nano-technological applications. Following an accurate scheme based on software engineering protocol, PRAXIS has been created with to particular aims: to verify the experimental data obtained measuring the physical properties of the SMMs, and to predict them in different situations. As last feature od PRAXIS, there is the possibility of theoretical auto-assembling of a large number of magnetic molecules, modelling them in a wide range of situations.

In questo lavoro, esaminiamo inizialmente la caratterizzazione e i difetti dei materiali ad alta costante dielettrica (high-k) La2O3 e CeO2, utilizzati come materiali di ossido di gate nei MOSFET. Presentiamo una metodologia basata sulla simulazione, fondata su una descrizione accurata dell'intrappolamento e del trasporto di carica utile per estrarre informazioni rilevanti sulle caratteristiche del materiale e dei difetti. Questa metodologia è stata applicata ai materiali dielettrici high-k ossido di cerio e ossido di lantanio ricavando, di conseguenza, le proprietà del materiale, insieme alle caratteristiche dei difetti. Di conseguenza, il meccanismo principale di conduzione della carica in tutto il dispositivo è stato identificato nel tunneling assistito da trappole (TAT). Quindi nel secondo capitolointroduciamo uno script-tool Python per l'estrazione e la caratterizzazione autonoma di parametri statistici relativi a materiali disordinati. Lo scopo del progetto è stabilire una metodologia per l'analisi strutturale dei materiali calcogenuri amorfi a cambiamento di fase. Il codice utilizza le librerie e le funzioni standard di NumPy e Pandas, accettando in ingresso le traiettorie della struttura atomica standard o la configurazione ottenuta dai calcoli relativi alla dinamica molecolare. Successivamente, il tool calcola le distanze e gli angoli interatomici tramite l'analisi della traiettoria, consentendo quindi di estrarre parametri come: parametro d’ordine q, un dettagliato numero di coordinazione, funzioni di distribuzione radiale e angolare, statistiche sulla popolazione locale e coordinate d’ordine locali nei formati PDB e XYZ. Inoltre, il codice è agnostico sia rispetto al codice che ha generato la singola configurazione o traiettoria, che rispetto agli elementi della struttura. Successivamente, il terzo capitoloindaga a fondo le strutture gerarchiche di ordine a breve e medio raggio nei vetri amorfi per applicazioni di selettori. Il nostro studio include un'analisi approfondita della relazione tra i meccanismi di legame e le proprietà fisiche risultanti. Impiegando la dinamica molecolare, studiamo le caratteristiche strutturali come gli ordini locali a corto raggio, sia della fase liquida che di quella amorfa, nei sistemi binari di calcogenuro GexSe1-x nel intervallo 0,4 In this work, we initially investigate the defect and material characterization of La2O3 and CeO2 high-k dielectric constant materials as gate oxide materials in MOSFETs . We present a simulation-based methodology, relying on an accurate description of charge trapping and transport that is useful to extract relevant information on material and defect characteristics. This methodology was applied to cerium oxide and lanthanum oxide high-k dielectric materials and as a result, material properties alongside defect characteristics were extracted. Consequently, main charge conduction mechanism throughout the device was identified to be the trap-assisted tunneling (TAT). Then in the second chapter we introduce a python script-tool for autonomous extraction and characterization of statistical parameters of disordered materials. The aim of the project was to establish a methodology for the structural analysis of amorphous chalcogenide phase-change materials. The code utilizes NumPy and Pandas standard libraries and functions by loading the standard atomic structure trajectories or single configuration from the molecular dynamics calculations as input, subsequently, calculating interatomic distances and angles via trajectory analysis resulting in the extraction of parameters such as: order parameter q, a detailed coordination number, radial and angle distribution functions, local population statistics and local order coordinates in PDB and XYZ formats. Furthermore, the code is agnostic to the code that generated the single configuration or trajectories as well as the elements of the structure. \\ After that, the third chapter thoroughly investigates the hierarchical short- and medium-range order structures in amorphous glasses for selectors applications. Our study includes an in-depth analysis of the relationship between the bonding mechanisms and the resulting physical properties. By employing the molecular dynamics, we study the structural features such as short-range local orders of both the liquid and amorphous phase in Ge-based chalcogenide binary GexSe1-x systems in the range 0.4 < x < 0.6. Our results indicate the formation of temperature-dependent hierarchical structures with short-range local orders and medium-range structures, which vary with the Ge content. Our classical molecular dynamics simulations are able to describe the profound structural differences between the melt and the glassy structures of GeSe chalcogenides. These results set the path for understanding the interplay between chemical composition, atomic structure, and electrical properties in switching materials. Finally, In the fourth chapter, we present a first principle study of the switching mechanism of Ge54Te216As20Se30 for Memory applications, The electrical and structural properties of GeTe4 and the effects of As2Se3 are studied in the framework of ab initio simulations coupled within the Carr-Parrinello approach and density functional theory. The structural analysis are carried out via utilizing the BELLO code for structural trajectories. In order to simulate the electrical switching behavior of chalcogenide glasses in selectors, the systems are melted up to their melting temperature then quenched back down to 300K. The correlation between the amorphous and crystalline phases are thoroughly studied via our statistical approaches coupled with density functional calculations. Our findings paved new routes towards thermal approaches in chalcogenide glasses studies for switching materials.

Con In silico seawater si intende il calcolo di alcune proprietà chimico fisiche dell’acqua marina attraverso simulazioni al calcolatore. L’acqua marina è essenzialmente una soluzione elettrolitica caratterizzata da una composizione molto complessa, ci sono voluti più di 100 anni di studio. Data l’enorme complessità di tale soluzione è facile rendersi conto che il numero di molecole necessarie per la riproduzione della composizione dell’acqua marina è estremamente grande per essere implementato in simulazioni molecolari. In questo lavoro viene descritto un modello semplificato di acqua marina adottato per una simulazione numerica. In prima approssimazione, sono stati trascurati gli ioni a bassa concentrazione, come, ad esempio, HCO3− (XHCO3−≈0.0015). Gli ioni considerati sono Na+, Cl−, Mg2+, SO42−, Ca2+ e K+. Uno degli scopi principali di questo lavoro è quello di indagare il contributo dei diversi ioni sulle proprietà dell’acqua marina. Seguendo questa linea di ragionamento è stato interessante analizzare la sostituzione degli ioni Ca2+ e K+ con Mg2+ e Na+, rispettivamente. Le proprietà dell’acqua marina sono quindi state confrontate con quelle di una soluzione di NaCl, che rappresenta il soluto maggioritario. In questo lavoro di tesi sono stati usati due diversi Force Field (FF): il Joung-Cheatham (JC) e l’OPLS (Optimized Potentials for Liquid Simulations). Abbiamo dimostrato che entrambi i potenziali danno un risultato soddisfacente nel riprodurre le proprietà termodinamiche e dinamiche dell’acqua marina. Nel caso della viscosità e della densità, i dati calcolati sono comparati con dati sperimentali. Mentre per quanto riguarda la struttura e i coefficienti di diffusione, per i quali non vi è alcun dato sperimentale per l’acqua marina, sono comparati tra di loro i dati calcolati con i diversi modelli. E` stato quindi sviluppato un primo modello soddisfacente di acqua marina, ma per realizzare un Force Field più accurato sono ancora necessari notevoli sforzi.

Antimicrobial resistance is inhibiting our ability to fight against pathogens. By selectively changing the composition and expression of influx water-filled proteins filling their outer membrane, gram- negative bacteria are able to reduce the rates at which specific polar compounds are able to permeate. A clear comprehension of the mechanism determining substrates diffusion through these pores is still missing. In this thesis, we show how biased computer simulations may offer a unique perspective in the study of molecular permeation through porins, overcoming the intrinsic limitations of both experimental techniques and standard molecular dynamics. The first test-case is Acinetobacter baumannii’s CarO. The use of substrates with varying charge and molecular weight, as well as the creation of a loop-less mutant missing the extracellular domain of the protein, allowed to determine the charge selectivity and the transition rates of polar molecules. We obtained good agreement with the results of liposome swelling assays experiments. Further, we compared the passage of two carbapenem antibiotics in a series of mutated proteins extracted from a patient undergoing long term hospital infection. We connected the mutation of few key residues to a drastic change in the internal electric field of the proteins, showing that the antibiotics follow the choreography of water molecules inside the channels. In the last section, we present a kinetic model that allows to determine for a molecule the relative probability of different conformations and the time required for the translocation through a pore. This approach allowed to connect the results of enhanced sampling MD methods with current blockages in single channel experiments.All these results together show that multiscale MD techniques can offer an exhaustive view on the mechanism of molecular diffusion through pores, helping to understand the most important charac- teristics that determine the rates of translocation of different com- pounds in gram-negative bacteria. We can use these data to com- plement experimental results and to design the next generation of antibiotics.

I materiali a cambiamento di fase sono calcogenuri a base di tellurio di notevole interesse tecnologico per la realizzazione di memorie ottiche (DVD) e di memorie elettroniche non volatili di nuova concezione, le memorie a cambiamento di fase o PCM. Questi dispositivi si basano su una veloce (50 ns) e reversibile transizione di fase amorfo-cristallo indotta per riscaldamento. Le due fasi corrispondono ai due stati di memoria che possono essere distinti grazie alla grande differenza tra le proprietà ottiche ed elettroniche dell'amorfo e quelle del cristallo. Nonostante il Ge2Sb2Te5 (GST) sia il materiale attualmente usato nelle PCM, si stanno studiando nuovi materiali con una temperatura di cristallizzazione più alta per aumentare la stabilità termica delle PCM. A questo proposito in questa tesi sono state studiate, attraverso simulazioni di dinamica molecolare ab-initio, diverse leghe ad alta temperatura di cristallizzazione con composizione In3Sb1Te2, In13Sb11Te3 e Ga4Sb6Te3. Queste leghe sono state studiate sperimentalmente e proposte come sostituti del GST, ma le proprietà strutturali e l'origine microscopica dell'elevata temperatura di cristallizzazione della fase amorfa di questi composti non è ancora del tutto chiara. Sono stati, quindi, generati modelli di qualche centinaio di atomi della fase amorfa raffreddando dal liquido in centinaia di ps allo scopo di trovare una relazione tra la struttura dell'amorfo e l'alta temperatura di cristallizzazione di queste leghe. La topologia di legame dei modelli amorfi risulta principalmente tetraedrica, molto diversa dalla geometria della fase cristallina che presenta invece intorni ottaedrici. La presenza di strutture tetraedriche nell'amorfo, assenti invece nella fase cristallina, può quindi costituire un ostacolo alla cristallizzazione con l'effetto di innalzare la temperatura di cristallizzazione rispetto al GST che presenta una geometria di legame prevalentemente ottaedrica sia nell'amorfo che nel cristallo. Nella seconda parte di questo lavoro è stato affrontato il problema del drift, che consiste in un aumento della resistenza elettrica della fase amorfa con il tempo. Questo fenomeno rappresenta un problema nelle celle PCM in quanto modifica le caratteristiche elettriche del dispositivo; tuttavia, manca ancora una spiegazione completa del meccanismo microscopico alla base di questo processo. Il drift sembra però legato al fenomeno del rilassamento strutturale che si verifica nei semiconduttori amorfi e che modifica nel tempo gli stati di difetto in prossimità degli edge delle bande di valenza e di conduzione, da cui dipende la conduzione nella fase amorfa. Per studiare il fenomeno del drift sono stati generati modelli di grandi dimensioni (circa duemila atomi) di GeTe amorfo raffreddando dal liquido in 100 ps attraverso simulazioni di dinamica molecolare classica con un potenziale Neural-Network. Una volta rilassati ab-initio, i modelli presentano diversi stati nel gap localizzati su catene di atomi di Ge. Dopo aver riscaldato i modelli a 500 K in modo da accelerare il processo di drift, si osserva una riduzione del numero di catene di Ge e di legami omopolari Ge-Ge con un conseguente allargamento del gap e riduzione dell'ampiezza delle code di Urbach che possono giustificare un aumento della resistenza. Si propone quindi che il drift sia dovuto al rilassamento strutturale della fase amorfa che porta alla riduzione delle catene di legami omopolari di Ge.
Phase change materials based on chalcogenide alloys are of great technological importance because of their use in optical data storage devices (DVDs) and electronic non-volatile memories of new concept, the Phase Change Memory cell (PCM). These applications rely on a fast (50 ns) and reversible change between the crystalline and the amorphous phases upon heating. The two phases correspond to the two states of the memory that can be discriminated thanks to a large difference in their optical and electronic properties. Although Ge2Sb2Te5 (GST) is the compound presently used as active layer in PCMs, alternative materials with a higher crystallization temperature are under scrutiny in order to increase the thermal stability of the PCM devices. In this respect, we analysed, by means of ab-initio molecular dynamics simulations, different high crystallization temperature alloys with composition In3Sb1Te2, In13Sb11Te3 and Ga4Sb6Te3, which have been experimentally proposed as substitute of GST. However, the structural properties and the microscopical reason of the high thermal stability of the amorphous phases of these compounds is still unclear. We, thus, generated models of the amorphous phase of few hundreds of atoms by quenching from the melt in few hundreds of ps aiming at finding out a relation between the structural properties of the amorphous phase and the high crystallization temperature of these alloys. The topology of our amorphous models turned out to be mostly tetrahedral which differs from the octahedral-like geometry of the crystalline phases. The presence of tetrahedral structures in the amorphous which are absent in the crystalline phase, probably hinders the crystallization process resulting in a higher crystallization temperature with respect to GST which display a mostly octahedral-like structures in both amorphous and the crystalline phase. In the second part of this work we addressed the issue of the resistance drift phenomenon, which consists of an increase of the electrical resistance of the amorphous phase with time. This effect is detrimental in PCMs since it changes the electrical characteristics of the devices. This process is believed to be due to an aging of the amorphous phase which modifies during time the defect states in the proximity of the valence and conduction band edges which control the electrical conductivity. The microscopic origin of the structural relaxations leading to the drift is still unknown. To address this problem, we generated large models (about two thousand atoms) of amorphous GeTe by quenching from the melt in 100 ps with classical molecular dynamics simulations by using a neural-network potential. Once relaxed by first principles, the models showed the presence of several in-gap states localized on chains of Ge atoms. After an annealing at 500 K, performed to accelerate the drift process, Ge chains and homopolar Ge-Ge bonds reduce in number resulting in a band gap widening and a reduction of the Urbach tails at the band edges which can account for the increase of the resistance. We thus propose that the resistance drift originates from structural relaxations leading to the removal of Ge chains.