Simulación Molecular

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Master Thesis
Propiedades estructurales y dinámicas de polímeros activos en confinamiento
(Universidad internacional de Andalucía, 2019) Gallardo Orozco, Iris Paulina; Gallardo Orozco, Iris Paulina
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular. Directores: Chantal Valeriani ; Valentino Bianco. Este trabajo es un estudio de la estructura y de la dinámica de un polímero activo en confinamiento en un canal corrugado, en comparación con el caso de un polímero activo en el bulk. El polímero se simula através de una dinámica browniana y está formado por monómeros activos, cuya actividad se simula mediante una fuerza paralela al esqueleto del polímero. El canal se caracteriza por un radio máximo y un radio mínimo, y es periódico. Para realizar el análisis del comportamiento del polímero se calculan el radio de giro, el desplazamiento cuadrático medio y el coeficiente de difusión del centro de masa del polímero. Y se analiza cómo cambian estos valores modificando la actividad, la geometría del canal y la longitud del polímero. Podemos observar que el radio de giro aumenta conforme aumenta la longitud del polímero, en una relación de escala. El efecto de la actividad es disminuir el radio de giro del polímero, haciéndolo más compacto. Además, la actividad también disminuye el valor del exponente de escala. Puesto que la actividad disminuye el radio de giro, se observa que cuanto mayor es la actividad tanto menor es el efecto del confinamiento del polímero. Al comparar el radio de giro del polímero confinado con el radio de giro en el bulk, se observa que el radio de giro aumenta dentro del confinamiento. Esto se debe a que, para moverse por las partes estrechas del canal, el polímero debe estirarse, aumentando así su radio de giro.
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Simulación molecular de la temperatura de máxima densidad de sistemas alcohol+agua
(Universidad Internacional de Andalucía, 2019) García Pérez, Encarnación del Rocío; García Pérez, Encarnación del Rocío
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2018/19). Director: Diego González Salgado. En este trabajo fin de máster se han desarrollado varios modelos de mezcla para sistemas {alcohol+agua}, siendo etanol, propan-1-ol y propan-2-ol los alcoholes objeto de estudio. Las moléculas de alcohol se han caracterizado por medio del campo de fuerzas OPLS-AA mientras que se ha elegido el modelo flexible TIP4P/2005f para el agua. Las interacciones de Lennard-Jones cruzadas entre alcohol y agua se han determinado de tal forma que el modelo resultante permita describir adecuadamente la entalpía molar hE y el volumen molar de exceso vE experimentales a la temperatura de 298.15 K y presión atmosférica. En el procedimiento de ajuste se han fijado los parámetros de Lennard-Jones cruzados entre el oxígeno del agua y los carbonos del alcohol al valor dado por la regla de combinación geométrica mientras que los parámetros LJ entre el oxígeno del alcohol y el del agua son los únicos que han sido ajustados. Una vez realizado el ajuste de forma satisfactoria para los tres sistemas objeto de estudio, se ha determinado la densidad para tres fracciones molares de cada sistema realizando simulaciones desde 250 K hasta 330 K a presión atmosférica. A partir de los valores de densidad se realiza un ajuste de la curva densidad-temperatura, mediante el cual se obtiene el valor final de la TMD para cada fracción molar. Todas las simulaciones llevadas a cabo se han realizado mediante la técnica de Dinámica Molecular en el colectivo NpT, utilizando el programa comercial GROMACS versión 2018.3 instalado en el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).
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Determinación de las propiedades interfaciales de promotores de hidratos de hidrógeno
(Universidad Internacional de Andalucía, 2019) Melgarejo Vega, Pedro Jesús; Melgarejo Vega, Pedro Jesús
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular. Directores/Tutores: Felipe Jiménez Blas ; Ignacio Moreno-Ventas Bravo. En este proyecto se determina las propiedades interfaciales de un promotor de hidratos de hidrógeno, en concreto del 1,3-dioxolano. Para ello, se simula un modelo rígido y otro flexible, y se analiza si el modelo TraPPE predice correctamente el equilibrio líquido-vapor y la tensión interfacial, y en ese caso, si ambos coinciden se considerarán buenos candidatos para la simulación de otros hidratos con estos promotores en un futuro. Las propiedades interfaciales de estudio con los perfiles de densidad, densidad de coexistencia vapor-líquido, anchura interfacial, tensión superficial, y presión de vapor. El estudio de ambos modelos reside en ver la eficacia del modelo rígido, puesto que se necesitan modelos que sean fáciles de simular para permitir reducir considerablemente el coste computacional entre otros factores. Por ello, lo ideal sería disponer de modelos de promotores rígidos, puesto que no disponen de grados de libertad de flexión ni torsión, simplificando el cálculo computacional. También los modelos rígidos requieren un paso de tiempo de integración superior al modelo flexible, reduciendo este cálculo aún más.
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Predicción del comportamiento de hidratos de gas utilizando simulación molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2019) Acuña Yeomans, Esteban; Acuña Yeomans, Esteban
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2018/19). Directores: Jose Manuel Míguez Díaz, Paula Gómez Álvarez. La energía libre interfacial entre un sólido y un fluido (𝛾𝑐𝑓) es un parámetro muy relevante en fenómenos como la nucleación o el crecimiento de cristales. Sin embargo, no existen apenas datos reales para esta propiedad para interfases sólido-fluido debido a la gran dificultad que implica medir esta propiedad desde el punto de vista experimental. Así, habitualmente se emplea la técnica de simulación molecular para estudiar esta interfase cristal-fluido donde existen un par de técnicas propuestas recientemente, como el método del Mold Integration (MI), cuya eficacia ya ha sido probada en la interfase hielo-agua. En este Trabajo Fin de Máster se ha aplicado esta novedosa técnica MI para el cálculo de la energía interfacial del hidrato CO2 – agua a 400bar y 287 K. La estructura sólida que presentan los hidratos de CO2 bajo estas condiciones termodinámicas, conocida como SI, está por formada no sólo por moléculas de agua, a diferencia del hielo, sino también por moléculas de CO2 que ocupan las cavidades generadas en esta red cristalina. El agua fue modelizada con el modelo TIP4P/Ice y el CO2 por el modelo TraPPE en las simulaciones llevadas a cabo para la realización de este trabajo. La combinación de estos modelos se había mostrado como la más eficaz para describir el equilibrio termodinámico de la coexistencia trifásica de hidrato CO2 – H2O líquido – CO2 líquido a las mismas condiciones termodinámicas, tal y como se mostró en un trabajo previo desarrollado por el mismo grupo de investigación (FILICO). El resultado de tensión interfacial (𝛾ℎ𝑤) obtenido fue de 26.5 ± 0.3 mJ/m2 muy cercano a los valores experimentales encontrados en bibliografía 30 ± 1 mJ/m2. A nuestro conocimiento, es la primera vez que se calcula la tensión interfacial de un hidrato mediante simulación molecular lo que pone de manifiesto la dificultad que entraña este trabajo y la eficacia de la técnica Mold Integration para el cálculo de la tensión interfacial sólido-fluido.
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Estudio de la permeabilidad osmótica para nanoestructuras en membranas lipídicas
(Universidad Internacional de Andalucía, 2020) Ninán Manga, Efraín Óscar; Ninán Manga, Efraín Óscar
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2019/20). Tutores: Dra. Dña. Chantal Valeriani ; Dr. D. Miguel Ángel González González. La osmosis es un fenómeno importante desde el punto de vista biológico, pero también desde el punto de vista de la ciencia de materiales no solo para el desarrollo de nuevos materiales para osmosis inversa sino también para el desarrollo de materiales útiles en cromatografía y separación selectiva de iones. Los estudios de dinámica molecular han demostrado ser útiles para el análisis del número de moléculas de agua, la velocidad a la que se mueven y la selectividad en canales nanométricos biológicos como las acuaporínas, o no biológicos como nanotubos de carbono. En este trabajo estudiamos un sistema hipotético que consistente en una bicapa lipídica de 400 moléculas de 1,2-Dioleoil-sn-glicero-3-fos-focoina y un nanotubo de carbono de 5nm de longitud, estructura armchair de 924 átomos de carbono insertada verticalmente a la mitad de la membrana. Esta membrana se encuentra separando un volumen de agua y una solución de NaCl 145 milimolal. También se realiza otra simulación similar con una sal distinta, KCl, de la misma concentración. El nanotubo de carbono comunica ambas secciones, el volumen de agua pura por un lado con la solución salina por el otro. Este sistema se simuló a través del paquete de dinámica molecular GROMACS utilizando el campo de fuerza Gromos 53A6 para todas las estructuras, Madrid 2019 para simular los efectos de los iones en solución acuosa y TIP4P/2005 para el agua. Primero se simuló el sistema por un corto periodo en el colectivo NVT y, una vez equilibrado en NPT por un periodo prolongado de 200ns. De acuerdo a lo observado las moléculas de agua se mueven hacia el lado de la solución, como en todo fenómeno osmótico, y los iones no atraviesan el canal del nanotubo. Se evaluó el movimiento de las moléculas de agua en el eje Z respecto a la orientación de la caja de simulación. Para este fin se utilizaron dos programas de análisis proporcionados por el Dr Miguel Angel Gonzales. El primero es un script que genera un registro de las moléculas que atraviesan el centro de masa del nanotubo de carbono respecto al eje z, que es el eje de orientación del nanotubo de carbono, todo esto en función del tiempo y estos se almacenan para luego ser analizados con un segundo programa escrito en Python que nos proporciona gráficos con el número y la molalidad de las soluciones en el tiempo. De acuerdo a lo observado para ambas sales existe una migración de moléculas de agua la tasa de moléculas que atraviesan el nanotubo está en el rango de 10 7 moléculas por segundo. Hecho que demuestra que las moléculas migran a lo largo del canal como es esperado para un fenómeno de ósmosis.
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Estudio de transiciones de fase cuánticas en el oscilador cuártico y en el modelo de Lipkin-Meshkov-Glick
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Domínguez Prieto, Elena; Domínguez Prieto, Elena
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Directores: Dr. D. Francisco Bartolomé Pérez Bernal ; Miguel Carvajal Zaera. Se han caracterizado las transiciones de fase, tanto de estado fundamental como de estados excitados, en dos sistemas cuánticos diferentes: el oscilador cuártico y el modelo de Lipkin-Meshkov-Glick. Se han calculado y representado magnitudes útiles en la caracterización de transiciones de fase cuánticas como son la fidelidad cuántica y su susceptibilidad o la densidad de estados, la razón de participación y la diferencia de energía entre niveles consecutivos. Las dos primeras se calculan para transiciones de fase de estado fundamental y las tres últimas para transiciones de fase de estados excitados. Para este estudio, se han desarrollado varios programas en lenguaje Python que escriben y diagonalizan las matrices de los distintos Hamiltonianos analizados en este trabajo y calculan las magnitudes mencionadas.
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Estudios mediante simulación de los mecanismos homeostáticos del crecimiento y división bacteriana
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Delgado Campos, Andrés; Delgado Campos, Andrés
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. Alejandro Cuetos Menéndez. Los microorganismos, como las bacterias, tienen una gran capacidad de colonizar multitud de ambientes y superficies mediante la formación del biofims. Pese a que los investigadores llevan décadas estudiando su forma de vida y de crecimiento aún no se tienen todas las respuestas. Este trabajo busca aportar información a un debate existente entre las diferentes teorías que existen para explicar el mecanismo de crecimiento y división bacteriana. Para ello, utilizando técnicas de Modelización basada en el individuo (IbM) de la bacteria Pseudomonas putida, y distintos escenarios de simulación, mostrar las diferencias, si existen, producidas en las colonias según qué tipo de mecanismo homeostático de crecimiento entre los propuestos en la literatura: Adder o Sizer. También, se han tenido en cuenta los distinto crecimientos posibles para cada bacteria individual: lineal y exponencial. Los resultados obtenidos muestran como los distintos escenarios de crecimiento no generan características que los diferencien. Sin embargo, el parámetro Γ, creado para controlar el efecto de la difusión y del crecimiento, produce diferencies características, según su valor, en la estructura y morfología de la colonia.
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Estudio de la nucleación de cristales en mezclas binarias
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Pulido Lamas, Cintia; Pulido Lamas, Cintia
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Directores: Dra. Dña. Eva González Noya ; Dr. D. Eduardo Sanz García. En este trabajo de fin de máster hemos estudiado la nucleación cristalina en una mezcla binaria de esferas pseudo duras, con una relación de diámetros de 0.85 entre las esferas pequeñas (de tipo B) y las grandes (de tipo A), mediante Dinámica Molecular. Concretamente se ha extendido el método de Seeding en el colectivo NV T para su aplicación a mezclas. En este método partimos de un fluido metaestable con una semilla de sólido cristalino. Esta técnica nos permite estimar el tamaño del núcleo crítico con la ayuda de un parámetro de orden y el criterio de mislabelling. El tamaño del núcleo crítico junto con el cálculo de la diferencia de potencial químico μ nos permite estimar la barrera de energía libre de Gibbs G y la energía libre interfacial , en el marco de la teoría clásica de nucleación (CNT). También hemos calculado las ecuaciones de estado del fluido con las diferentes concentraciones de estudio, que junto con el coeficiente de difusión en el fluido y la G nos permite estimar la tasa de nucleación J. También se han calculado tasas de nucleación espontánea por simulaciones de larga duración que parten del fluido metaestable. Así podemos comparar la tendencia de la tasa de nucleación estimada con el método novel, con la calculada sin depender de la CNT. Las composiciones del fluido estudiadas son xA = 0.98, xA = 0.96 y xA = 0.92. Hemos concluido que un pequeño cambio en la composición del fluido altera gravemente el tamaño del núcleo crítico. En concreto, al aumentar la concentración de B disminuye el tamaño del cluster crítico, de acuerdo con la CNT podría decirse que es porque aumenta la tensión interfacial entre el fluido y el líquido. Y que a presión, μ o factor de empaquetamiento del fluido constante, la tasa de nucleación disminuye al hacerlo la concentración de A en el sistema. Finalmente mostramos que el método de Seeding NVT produce resultados coherentes con el método de nucleación espontánea y además para mezclas se obtienen datos con la misma tendencia que los obtenidos para sistemas puros. Aunque el Seeding NVT puede no ser tan riguroso como otros métodos, su ventaja es que es más sencillo de implementar y tiene un menor coste computacional. Además el Seeding NVT es ventajoso frente al NPT pues se necesita una única trayectoria para sacar un valor del tamaño del núcleo crítico y la estadística para obtener sus propiedades es mejor.
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Simulación molecular de disoluciones de electrolitos
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Blázquez Fernández, Samuel; Blázquez Fernández, Samuel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Directores: Dra. Dña. María Martín Conde ; Dr. D. Carlos Vega de las Heras. En este trabajo, se ha desarrollado un nuevo modelo de potencial basado en cargas escaladas para NaCl. En trabajos anteriores presentamos el modelo Madrid-2019 utilizando una carga de ±0,85 e. En este trabajo en cambio, exploramos diferentes valores de cargas para los iones con el fin de reproducir los valores experimentales de propiedades de transporte que eran sobreestimados con el modelo Madrid-2019 y aún más con modelos de cargas unitarias. Este nuevo modelo de potencial se denominará Madrid-Transport y se trata de un modelo no polarizable para ser utilizado con el modelo de agua TIP4P/2005. Se han empleado cargas de ±0,75 e para los iones Na+ y Cl− para describir con precisión no sólo las densidades sino también las viscosidades y los coeficientes de difusión de disoluciones acuosas de NaCl en todo el intervalo de concentraciones hasta el límite de solubilidad experimental del cloruro sódico. Sin embargo, la disminución de la carga de los iones lleva a una peor descripción de otras propiedades como el descenso crioscópico del hielo, la predicción de la temperatura a la que ocurre el máximo en densidad (a presión atmosférica) o la tensión superficial. Esta última magnitud puede describirse correctamente utilizando una carga de ±0,92 e con un nuevo modelo también desarrollado en este trabajo llamado Madrid-Interfacial.
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Simulación molecular de L-difenilalanina con agua y 2-propanol
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Alvarado Maldonado, Ingrid Patricia; Alvarado Maldonado, Ingrid Patricia
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. Diego González Salgado. Los procesos de agregación molecular juegan un papel esencial en la construcción de estructuras altamente ordenadas y funcionales en biología. La difenilalania (L-Phe-LPhe, FF) forma agregados que actúan de semillas para la formación de fibras de amiloide, un aspecto quela conecta directamente con los procesos biológicos asociados con las denominadas enfermedades amiloides. Además, el péptido de Ldifenilalanina es una unidad que puede formar diversas estructuras, como microtubos, nanocables o microcristales. La técnica de simulación molecular es hoy en día una herramienta muy poderosa para el estudio de fenómenos macroscópicos desde una perspectiva microscópica. Un aspecto esencial en este tipo de estudios es la elección del modelo elegido para describir las moléculas involucradas y sus interacciones. Este modelo debe ser lo suficientemente sencillo para que la simulación sea posible con la potencia de cálculo de estos días y a su vez debe reproducir de manera adecuada el comportamiento experimental del sistema objeto de estudio. En este TFM se ha evaluado la capacidad de un modelo molecular definido disoluciones de L-difenilalanina en agua y 2-propanol para describir el comportamiento experimental de estos sistemas en la región diluida de soluto. El modelo elegido se compone de la versión flexible del modelo TIP4P/2005 para agua y el modelo OPLS-AA para las moléculas de L-difenilalanina y 2-propanol. Además, las interacciones Lennard-Jones cruzadas soluto-disolvente han sido fijadas de acuerdo a la regla de combinación geométrica. Las medidas experimentales han sido llevadas a cabo por Jacobo Troncoso en el Laboratorio de Propiedades Termofísicas de la Universidad de Vigo. Para este fin, se han llevado a cabo simulaciones en el colectivo isotérmico-isobárico desde 238.15 K a 328.15 K con un paso de 10 K y a la presión de 1bar. Las fracciones molares de soluto han sido 0.000, 0,0005, 0,0010, 0.0020, 0.0040. Se han determinado la densidad, el volumen molar y el volumen molar parcial del soluto a dilución infinita. En el caso de las disoluciones acuosas se ha determinado también la temperatura del máximo de la densidad TMD. Los resultados obtenidos han mostrado una excelente concordancia con los resultados experimentales tanto en aspectos cuantitativos como en lo relativo a las tendencias con la temperatura. De especial interés ha sido la excelente concordancia con los experimentos del comportamiento de la TMD con la composición en disoluciones acuosas, una propiedad normalmente difícil de capturar. En base al buen acuerdo encontrado entre experimentos y simulaciones se ha concluido que el modelo seleccionado es un buen punto de partida para el estudio de los procesos de agregación característicos de la L-dfhenilalanina.
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Estudio computacional de la transición sólido/líquido de alcoholes y cetonas del campo de fuerzas UAMI-EW
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Buzón Franco, José; Buzón Franco, José
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. José Alejandre Ramírez. Se hace una evaluación del campo de fuerza de átomo unido UAMI-EW (united atom model via interactions with explicit water) sobre la predicción de la temperatura de fusión del metanol, etanol y acetona. En el modelo UAMI-EW los parámetros de interacción intermolecular se obtuvieron reproduciendo propiedades en la fase líquida, en la coexistencia líquido-vapor y en soluciones acuosas de alcoholes y cetonas con distintas geometrías moleculares. El modelo reproduce la solubilidad de propanol/butanol y acetona/butanona en donde el primer componente es totalmente miscible en agua mientras que el segundo no lo es. El modelo es rígido en las distancias de enlace y flexible en el ángulo de enlace. En este trabajo, para el metanol líquido se obtuvieron resultados de densidad a bajas temperaturas y altas presiones, que no fueron obtenidos en la parametrización del modelo, y están en excelente acuerdo con resultados experimentales. También se obtuvieron las densidades en las fases sólidas alfa, beta y gama. La temperatura de fusión se determinó en sistemas en dondecoexisten directamente la fase sólida beta con la líquida. Se encuentra que la temperatura de fusión a 1 bar depende de la cara de metanol que está en contactocon el agua. En la dirección z, se encuentra que el valor está entre 195 K y 200 K, mientras en las otras dos direcciones está entre 210 K y 215 K. El valor experimentales de 175.6 K. Para comparar los resultados con el modelo de metanol OPLS-2016, que es totalmente rígido y que fue parametrizado con propiedades de líquido y sólido del componente puro, se estudió el efecto de la flexibilidad en el ángulo de enlace y no se encontraron diferencias con el modelo flexible en las distancias. Losresultados para el líquido de los modelos UAMI-EW y OPLS-2016 son equivalentes. La temperatura de fusión reportada usando el método de la energía libre para el modelo OPLS-2016 es de 189.9 K. Para el etanol líquido se obtuvieron las densidades a temperaturas entre 298 K y 473 K en donde el mayor error relativo con respecto al experimento es de 2% en la mayor temperatura. El sistema sólido-líquido se estudia entre temperaturas que van desde 140 K hasta 200 K. El valor experimental es de 159.1 K, mientras que el obtenido tras la simulación ha sido de 170K. Para la acetona, se obtuvo una densidad de 1027.3 kg/𝑚3 en la fase sólida en comparación con 1052.49 kg/𝑚3 del dato experimental, el error relativo es de 2.4 %. Para obtener la temperatura de fusión se siguió elmismo procedimiento que para metanol y etanol. El sistema sólido-líquido se estudia en el rango de temperaturas entre 120 K y 220 K. La temperatura de fusión se estima que está entre 200 K y 205 K.El dato experimental es de 178.5 K.
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Transiciones de fase en la membrana de esfingomielina
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Martín-Albo Rodríguez-Escalona, Diego; Martín-Albo Rodríguez-Escalona, Diego
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Directores: Dr. D. Luis González MacDowell ; Dr. D. Pablo Llombart González. Conocer el funcionamiento de las membranas biológicas o bicapas lipídicas es de gran interés tanto para la biología como para la físico-química, debido a la complejidad de estas estructuras, que pueden transicionar entre distintas fases como la denominada cristal líquido, ondulada o la fase liquida ordenada. Por la dificultad de poder obtener estas estructuras de una forma pura y gracias a los avances en la tecnología y los estudios de dinámica molecular, este trabajo ha tratado de simular el comportamiento de una membrana monocomponente formada por una bicapa de esfingomielina sometiéndola a temperaturas que varían entre los 0 y los 75ºC , en un sistema formado por la bicapa de estudio en un entorno de solvente agua. Las simulaciones se realizaron accediendo a los ordenadores pertenecientes a Camaragibe de la Universidad Complutense de Madrid a distancia, utilizando el paquete de software libre GROMACS y utilizando los modelos de campo de fuerza GROMOS54A7 y de agua SPC, todo ello facilitado por los doctores Pablo Llombart y Luis G. MacDowell, supervisores de este trabajo. De las simulaciones se obtuvo información relacionada con características como los perfiles de densidad, área por lípido, el desplazamiento cuadrático media o los coeficientes de difusión de la membrana, gracias a la que podemos observar las características de las distintas fases por las que pasa la membrana. La membrana pasa por estos estados conforme aumenta la temperatura, variando también su densidad, ancho, área por lípido y difusividad, afectando los cambios de temperatura al sistema y haciendo que al final la membrana pase a un estado más desordenado o fluido. Estos resultados concuerdan con lo visto en estudios previos de lípidos en sistemas parecidos.
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Estudio de la dispersión de CNT mediante simulación de Saxs
(Universidad Internacional de Andalucía, 2021) Garrido Regife, Laura; Garrido Regife, Laura
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. Víctor Morales Flórez. Las técnicas de fabricación de materiales compuestos con fases nanoestructuradas como los nanotubos de carbono (CNT) adolecen de una herramienta de caracterización que permita cuantificar la calidad de la dispersión de la nanofase en el interior de la matriz. Sin embargo, conocer el grado de homogeneización de la nanofase es un aspecto crítico para conseguir mejorar las propiedades mecánicas del material. Debido a los tamaños característicos de los CNT (nm μm), la técnica de scattering de rayos X a bajo ángulo (SAXS) puede ser de gran utilidad a la hora de revelar la formación de agregados en los procesos de fabricación. Este trabajo plantea desarrollar una herramienta que permita obtener, mediante simulación, las curvas de intensidad de scattering asociadas a sistemas fibrilares tales como los CNT que presenten diferentes grados de homogeneización. Es decir, se quiere identificar la “firma de scattering” de cada distribución, dado que los nanotubos individualmente dispersos y formando agregados presentarán señales de scattering diferentes. Durante la construcción de esta herramienta se trabajará primero con sistemas que presentan una estructura jerárquica para verificar el correcto funcionamiento del código para el cálculo de la intensidad de SAXS a partir de la función de distribución de pares. Posteriormente, se construirán sistemas con estructuras fibrilares con distintos grados de agregación y se simularán sus curvas de intensidad de SAXS. A partir de estos resultados, se estudiará la correspondencia entre el grado de homogeneización del sistema y distintos parámetros obtenidos a partir de la curva de scattering para determinar cuál de ellos puede ser empleado para definir experimentalmente la calidad de la dispersión.
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Acumulación de ácidos grasos en membrana de esfingomielina
(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Cabrera González, María Isabel; Cabrera González, María Isabel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Directores: Dr. D. Pablo Llombart González; Dr. D. Juan Luis Aragonés Gómez. La simulación molecular de membranas biológicas está en pleno auge, gracias al desarrollo de la tecnología y las inquietudes del colectivo científico en dilucidar el comportamiento real de las membranas celulares. No obstante, poco se sabe acerca de las interacciones de ácidos grasos de cadena larga (VLCFAs) con las membranas biológicas. Este estudio puede jugar un papel importante en el conocimiento sobre las interacciones en la membrana. El objetivo principal de este trabajo es analizar cómo VLCFA se adapta estructuralmente a una bicapa fluida de esfingomielina (SMP), a diferentes concentraciones de VLCFAs. Concretamente, se seleccionaron C26:0-lisofosfatidilcolina (C26) y C24:0-lisofosfatidilcolina (C24) debido a que su acumulación es característica en enfermedades del metabolismo lipídico. Para ello, se estudiaron las propiedades membranales a concentraciones crecientes de C24, C26 (0.1, 0.2 y 0.3 en cada uno) y en presencia de ambos (0.1-0.1, 0.1-0.2 y 0.2-0.1 en C24, C26 respectivamente) para la membrana de SMP. En cuanto a la temperatura, se empleó 310 K, para tratar de simular las condiciones de una membrana celular en un organismo vivo. En cuanto al entorno experimental, se accedió a la máquina “Camaragibe” de los ordenadores de la Universidad Complutense de Madrid a distancia. Se empleó el paquete de software libre GROMACS y el campo de fuerza GOMOS-54A7 para los lípidos y SPC para el agua. En dicho entorno, se analizaron perfiles de densidad, área por lípido y fluctuaciones de membrana. Concentraciones crecientes de ambos ácidos grasos modifican la densidad, fluctuación, ancho y área por lípido de la membrana, disminuyendo permeabilidad y aumentando la compactación lipídica. Concentraciones elevadas están vinculadas a la interdigitación de C24 y C26 en el espacio intermonocapa, exhibiendo un probable desajuste hidrofóbico e interacción de ambos VLCFAs con ambas monocapas. Nuestros resultados generan una visión inicial para establecer una relación entre acúmulo de VLCFAs y las propiedades membranales, muerte celular y fisiopatología propia de enfermedades del metabolismo lipídico.
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Cinética de las transiciones termodinámicas del agua mediante simulación molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Camarillo Sánchez, Miguel; Camarillo Sánchez, Miguel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Directores: Dr. D. Eduardo Santiago Sanz García; Dr. D. Jorge Ramírez García. El agua es un sistema que suscita mucho interés, pues, se trata de una de las moléculas más abundantes en la naturaleza e imprescindible para la vida. Los fenómenos de nucleación del agua están presentes en un espectro muy amplio de campos, conocer su temperatura de congelación supone grandes avances para las ciencias del clima ya que, la formación de hielo en las nubes modifica sus propiedades refractarias y en consecuencia afecta a la radiación UV que absorbe la tierra disminuyendo el efecto del cambio climático. Además de la optimización de fenómenos que dependen directamente del agua subenfriada, como pueden ser, en microbiología, fenómenos de criopreservación de tejidos o alimentos. Un líquido subenfriado debería formar un sólido mediante un proceso de congelación. Este proceso, se suele ver favorecido por la presencia de impurezas. El mecanismo de formación de la fase sólida en presencia de impurezas se denomina nucleación heterogénea. Dada la importancia en la nucleación heterogénea del sustrato (impureza) el estudio de este trabajo se va a focalizar en determinar cómo afecta modificar el sustrato al proceso de nucleación. El estudio de los fenómenos de nucleación de forma experimental es especialmente complejo, debido a que este proceso tiene una naturaleza aleatoria. Esto quiere decir que no se conoce ni el momento ni el lugar exactos en el que se dará. Todo esto sumado al hecho de que el núcleo de la fase estable que emerge en el seno de la fase metaestable tiene un tamaño del orden de nanómetros y un tiempo de vida del orden de nanosegundos hace que los estudios experimentales sean muy arduos. Sin embargo, la simulación molecular se presenta como una herramienta muy útil para estudiar dichos fenómenos pues, da la libertad de poder estudiar cualquier sistema sometido a cualquier condición ya que, está perfectamente controlado. Las simulaciones permiten conocer la posición de cada partícula en el espacio-tiempo, lo cual hace posible visualizar el fenómeno de nucleación. Además, las escalas de tiempo y distancia son abordables. El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar la nucleación heterogénea del agua utilizando un sustrato artificial diseñado con el fin de poder determinar cuánto afecta el desajuste de la red del sustrato al fenómeno de nucleación. En este trabajo se van a mostrar los resultados obtenidos para el modelo monoatómico del agua (mW). El motivo de utilizar este modelo y no otro que reproduzca mejor las condiciones del agua (como podría ser el TIP4/Ice) se debe a que estamos ante un estudio muy novedoso y antes de adentrarnos en el estudio de sistemas complejos es conveniente estudiar sistemas menos costosos a nivel computacional. En base al objetivo principal de este trabajo, la conclusión es clara; el sustrato es parte indispensable en la nucleación heterogénea. Cuanto mayor es la similitud entre el sustrato y la fase, mayor es la facilidad para nuclear.
Master Thesis
Máximo en densidad de disoluciones de electrolitos
(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Fernández-Sedano Vázquez, Lucía; Fernández-Sedano Vázquez, Lucía
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Directores: Dra. Dª. Eva González Noya; Dr. D. Carlos Vega de las Heras. In this work we studied the effect of Li+, Na+, K+, Mg2+ and Ca2+ chlorides and sulfates on the temperature of maximum density (TMD) of aqueous solutions at room pressure. Experiments at 1 molal salt concentration were carried out to determine the TMD of the solutions. For density measurements below -15 ◦ C, the Sorensen methodology was adopted [1]. We also performed molecular dynamics simulations to estimate the TMD of these solutions at 1 m and 2 m with the Madrid-2019 force field [2], which uses the TIP4P/2005 water model [3] and scaled charges for the ions. Our experiments at room temperature are consistent with those from Laliberte [4] and the prediction of both, the maximum in density and the TMD from simulations is in excellent agreement with our experimental results. All the salts studied in this work shift the TMD of the solution to lower temperatures and flatten the density profile (when compared to pure water) with increasing salt concentration. The shift in the TMD (ΔTMD) depends strongly on the nature of the electrolyte. Despretz established a linear dependence of ΔTMD with the salt concentration (in molality) as early as 1840 [5, 6]. We hereby confirm that the Despretz law holds for all the solutions with monovalent cations considered here at least up to 2 m, whereas for those with divalent cations, small deviations are observed at this concentration. In order to further explore this shift in the TMD, we have evaluated the contribution of each ion to ΔTMD (from the experimental results), concluding that Na+, Ca2+ and SO2− 4 seem to induce the largest changes among the studied ions. We have proved that these group contributions are able to accurately predict the shift in TMD for 1 m and 1.5 m mixtures. Finally, the volume of the system has been analyzed for salts with the same anion and different cation. These curves provide an insight into the effect of different ions upon the structure of water. We conclude that, for those ions with a strong coordinated first layer, namely Li+ and Mg2+ (where water is not just coordinating the cation but forming a complex), the remaining water molecules accommodate in an expanded structure resulting from the configurations they adopt to enable hydrogen bonding with the “rigid" water molecules from the first solvation shell. We therefore claim that the TMD of electrolyte solutions entails interesting physics regarding ion-water and water-water interactions and should then be considered as a test property when developing force fields for electrolytes. This matter has been rather unnoticed for almost a century now and we believe it is time to revisit it.
Master Thesis
Documentation & Integration of Automated Workflow in Atomistic Software for Charge Analysis with SIESTA
(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Bergua López, Ramón María; Bergua López, Ramón María
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Directores: Dr. D. Felipe Jiménez Blas; Dra. Dª. Mónica García-Mota. En esta memoria se describe el trabajo llevado a cabo durante una estancia de 3 meses en SIMUNE Atomistics, una empresa que provee de herramientas de simulación a la comunidad científica, académica e industrial de todo el mundo, y está desarrollando un software de simulación en Python llamado ASAP 1 (Atomistic Simulation Advanced Platform). ASAP contiene, entre otros paquetes, el uso del código abierto de simulación SIESTA 2,3,4 (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms), para facilitar al usuario el trabajo de manera mucho más rápida y flexible a través de una interfaz gráfica evitando así el uso de la terminal. También entre otros servicios, SIMUNE ofrece tutoriales específicos de SIESTA así como apoyo profesional para aquellos usuarios del código que quieran resolver problemas de computación específicos. El objetivo de mi estancia en SIMUNE consistió en documentar en forma de tutorial la manera de llevar a cabo el análisis de cargas mediante el uso de SIESTA que se incluirá en los tutoriales que ofrecen como parte de sus servicios a clientes. Una vez completado, tuve que implementar en ASAP una función que permitiera automatizar el análisis de cargas a través del software. Los pasos a seguir para completar mi objetivo satisfactoriamente fueron los siguientes. Tuve que familiarizarme con el uso del código SIESTA en la terminal, completando para ello los tutoriales de uso ofrecidos por SIMUNE y realicé un trabajo de feedback aportando mi experiencia de usuario para la mejora del mismo. Más adelante, estudié los distintos métodos de análisis de carga disponibles en SIESTA que calculan la población electrónica de una sustancia. Estos son los métodos de Mulliken, Hirshfeld y Voronoi y aprendí en qué consisten y por qué motivo es más recomendable el uso de un método u otro. Busqué en el manual de SIESTA la manera de utilizarlos y propuse una serie de ejemplos sencillos. Al finalizar la redacción del tutorial me encargué de la implementación de dicha funcionalidad en el software ASAP. Para ello tuve que escribir un código de programación orientado a objetos con el lenguaje Python. Comenzando por el diseño del widget que permite al usuario seleccionar entre los tres distintos métodos de análisis, continuando con el tratamiento de datos del archivo de salida que emite SIESTA para extraer el resultado del análisis y finalizando con la exposición de los mismos en una tabla en la que el usuario pueda visualizarlos. Para este trabajo fue vital el uso de GitLab, un portal de trabajo que permite a los equipos de desarrollo trabajar en el código, a través de ramas que se modifican de manera independiente y que luego se incluyen en el código principal tras su revisión. Como parte de mi tarea de desarrollador del software, fue necesario incluir también unos tests que verifiquen que la aplicación funcione como se espera, mediante modelos sencillos introducidos manualmente en el código, y cuyos resultados conocidos se comparaban con los resultados emitidos por la aplicación. Además, dado que los resultados de un cálculo atomístico varían en función de la multiplicidad de espín electrónico seleccionada (molécula no polarizada, spin colineal, o no colineal), tuvimos que tenerlo en cuenta a la hora del tratamiento de datos y exposición de resultados. En última instancia, aplicamos cambios cosméticos que dotaban a la tabla de una estética más elegante y legible para el usuario y presentamos el resultado en una demo a todo el equipo de la empresa.
Master Thesis
Simulación molecular del etanol
(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Manzano Gordillo, Mercedes; Manzano Gordillo, Mercedes
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Director: Dr. D. Julio Largo Maeso. Este trabajo fin de máster se basa en el estudio del comportamiento del etanol puro tanto en monofase como en equilibrio de fases, vapor-líquido y de una mezcla binaria, agua y etanol, utilizando como herramienta la simulación de sistemas de moléculas mediante dinámica molecular. La dinámica molecular permite evaluar el movimiento de las partículas que conforman el sistema en un determinado periodo de tiempo, su fundamento se basa en resolver las ecuaciones de movimiento de Newton, ya que éstas nos permiten conocer la trayectoria, posición y velocidad de los cuerpos y por ende, la energía cinética, potencial y total. Conociendo las posiciones y velocidades de las partículas en función del tiempo se pueden obtener valores promedio de propiedades termodinámicas (energía, temperatura, presión, tensión superficial), de transporte (auto-difusión y viscosidad) y estructurales (función de distribución radial, perfil de densidad, puentes de hidrógeno). En este trabajo se ha tratado de reproducir mediante simulación molecular el estudio del etanol tanto en estado líquido como en equilibrio entre las fases vapor y líquido, además del estudio de una mezcla binaria de etanol y agua, describiendo el comportamiento del perfil de densidad para el caso del etanol en coexistencia de fases como ejemplo de las propiedades interfaciales y el cálculo de propiedades termodinámicas como densidad total y energía intermolecular para la mezcla binaria agua y etanol. Para el estudio del etanol en monofase se han realizado simulaciones a presión constante de 1 Bar en un rango de temperatura entre 273K y 373K, para comparar los datos de densidad con resultados experimentales. Para el estudio del perfil de densidad de la mezcla etanol vapor-líquido, las simulaciones se han realizado en el colectivo NVT, con temperaturas comprendidas entre 400K y 500K, con el fin de ver hacia dónde tiende el equilibrio. Para el estudio de la mezcla binaria etanol y agua, las simulaciones se han realizado en el colectivo NpT a una T de 298K y una P de 1 Bar, variando el porcentaje en masa de las moléculas de alcohol, como resultado se estudia la densidad y la energía intermolecular de la mezcla y se compara con otros datos experimentales. Las moléculas de etanol se han caracterizado por medio del campo de fuerzas OPLS-AA y las del agua por el modelo TIP4P/2005f, son estos potenciales los que definen las interacciones etanol-etanol y agua-agua, respectivamente. Todas las simulaciones realizadas se han lanzando mediante la técnica de Dinámica Molecular utilizando el programa comercial GROMACS versión 2018.3 instalado en el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).
Master Thesis
Cálculo de propiedades de interacción de neutrones en agua supercrítica en base a dinámica molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2023) Guarín Cabrera, Luis Fernando; Guarín Cabrera, Luis Fernando
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Dr. D. José Manuel Míguez Díaz ; Dr. D. José Ignacio Márquez Damián. El presente Trabajo Final de Máster (TFM), propone determinar secciones eficaces neutrónicas, que son propiedades de interacción de neutrones con la materia, y en particular el sistema de estudio es agua en condiciones supercríticas. El contexto de determinar dichas propiedades neutrónicas del agua a las condiciones termodinámicas anteriormente mencionadas, es debido a la utilización del agua supercrítica como refrigerante en las centrales nucleares de IV generación, que entre sus características está su alta eficiencia térmica, cerca al 50%. Para lograr los objetivos propuestos se utiliza el modelo de agua TIP4P/2005f, el rango de temperaturas a estudiar va desde 275 hasta 973 K, para presiones por debajo de la presión crítica, se sigue la curva de coexistencia líquido-vapor y por encima se trabaja sobre la isobara de 25 MPa. Se proponen tres esquemas de simulaciones diferentes, donde el primero y el segundo que se utilizan son parecidos, puesto que utilizan 512 moléculas, caja cúbica y etapas de equilibración y producción similares. En ambos esquemas de simulación se calcula la densidad y su respectiva incertidumbre que se halla a partir del promediado por bloques. También se analiza la temperatura y presión del sistema, para verificar que el termostato, barostato, al igual que sus constantes de , son adecuados para mantener los valores nominales. En cuanto a los resultados del TFM, con los esquemas de simulación 1 y 2, se calculan densidades con incertidumbres menores a 10% para todo el rango de temperatura, excepto para el intervalo de 650 a 690 K: temperaturas en la región supercrítica que contiene el cruce de la línea Widom para 25 MPa. Los valores obtenidos y comparados con los datos experimentales, se estiman errores relativos de más del 100%, y a partir de 650 K, mayores a 10% hasta temperaturas de 800 K. De las simulaciones se obtienen directamente las funciones autocorrelación de velocidades (V ACF), a partir de las cuales se calcula el coeficiente de difusión (D). Que es una propiedad de transporte que se compara con resultados experimentales. Los valores hallados para D en este trabajo son consistentes con los experimentales casi que el mismo intervalo de temperatura que las densidades. De las VACF y empleando el modelo CAB para las leyes de scattering, se determinan las secciones eficaces. Para bajas temperaturas son muy exactos los resultados, puesto que coincide muy bien con los datos experimentales reportados. El inconveniente surge para temperaturas cerca o mayores al cruce de la línea Widom, puesto que las fluctuaciones del sistema hacen que se dificulte su estimación desde la parte física y computacional. Dado que se busca mejorar las estimaciones de las variables de interés, densidad, coeficiente de difusión y secciones eficaces, surge un tercer esquema de simulación, tal que busca reproducir en comportamiento dual líquido-vapor en las proximidades de la línea Widom, por lo que se propone una caja rectangular, parte de la etapa de equilibración con restricciones holonómicas, sin posiciones fijas, colectivo NPT y 4096 moléculas. Continuando con la equilibración del sistema, se cambia a un colectivo NVT, posiciones fijas en la caja de simulación de los átomos de oxígeno de la molécula de agua, sin restricciones holonómicas. Los resultados para la densidad calculados a partir del esquema 3, son precisos y exactos, su incertidumbre es menor al 1%, tienen el mismo comportamiento de crecimiento en las cercanías del cruce de la línea Widom. Por último la extensión de las secciones eficaz no es trivial, requiere de muchas etapas de equilibración adicional a las propuestas en los esquemas de simulación, pero se obtienen valores físicamente compatibles y órdenes de magnitud razonables.
Master Thesis
Determinación de ángulo de contacto con dinámica molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2023) Jiménez Patiño, Fabián Rodolfo; Jiménez Patiño, Fabián Rodolfo
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Director: Dr. D. Andrés Mejía Matallana. El presente trabajo muestra el cálculo de ángulos de contacto de un fluido sobre un sólido. La fase fluida está constituida por heptano (C7H16), tolueno (C7H8) y dióxido de Carbono (CO2), mientras que la fase sólida es carbono en su forma alotrópica de grafito. Se realizaron múltiples simulaciones en las cuales se mantiene constante la temperatura del sistema en 344.15 K, la densidad del CO2 en 6.8208, kg/m3 y el volumen de la caja de simulación en 37500nm3. Se varía la relación heptano-tolueno, de manera que se considera heptol0, heptol25, heptol50 heptol75 y heptol100, por ejemplo donde heptol25, el 25% de las moléculas son de tolueno y el 75% de heptano. Se mide el ángulo de contacto del sistema fluido - sólido directamente a partir de la geometría de gota formada sobre el grafito. Adicionalmente, se calcula la presión y la energía total. Los modelos moleculares utilizados para la fase fluida son representan mediante potenciales de interacciones intermoleculares esféricos: potencial Mie, el grafito se representa mediante un potencial integrado. El potencial de interacción para sólido es el potencial Steele-Mie. Se validaron los modelos moleculares para el heptano, tolueno y CO2, simulando cada sustancia pura por separado y comparando con datos experimentales obtenidos de la NIST. Se calculó la relación densidad contra presión a temperatura constante. El rango de presión considerado fue de 1 a 80 bar. De los resultados obtenidos con simulación moleculares varían menos del 5% de los resultados experimentales. Para la determinación del ángulo de contacto se utilizan 3500 moléculas de CO2 y 20000 moléculas de heptol, en una caja de simulación de 50x50x15nm3, condiciones periódicas solo en las direcciones X e Y. En la posición Z0 = 0.0 se pone una pared con el potencial del grafito y en ZL = 15.0 se pone una pared repulsiva para mantener las moléculas dentro de la caja de simulación. El software para realizar las simulaciones es GROMACS. La simulación se divide en tres etapas: la primera es la minimización, en la cual se parte de una configuración del sistema donde las posiciones de la moléculas se asignan de manera aleatoria. Usando el algoritmo de Steepest Descent se reduce la energía potencial de la configuración inicial cambiando las posiciones de las moléculas. La segunda etapa de la simulación es la equilibración se inició con temperatura de 1000 y durante 20 ns, posterior a 344.15 K durante 50 ns, este cambio de temperatura facilita la formación de la gota sobre el grafito. En esta etapa se garantiza que el sistema está completamente equilibrado. La tercera etapa es la producción, en la cual se mide el ángulo de contacto para las diferentes composiciones de heptol estudiadas. En cuanto a los resultados obtenidos en la etapa de producción, se evidencia que el ángulo de contacto para las diferentes composiciones de heptol varía alrededor de 50◦, excepto para heptol0, es decir, para la mezcla de heptano puro más CO2, ya que el heptano tiene a extenderse sobre toda la superficie de grafito y a la aglomeración de heptano que se estable, presenta poca simetría y esfericidad, durante los 50 ns de equilibración y 10 ns de producción no hay una gota claramente formada.