Simulación Molecular
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Trabajo académicoCinética de las transiciones termodinámicas del agua mediante simulación molecular(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Camarillo Sánchez, Miguel; Camarillo Sánchez, MiguelTrabajo 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.- Trabajo académicoEstructura y estabilización de clorosomas en ambientes acuosos(Universidad Internacional de Andalucía, 2023) García Ruiz, Cristina; García Ruiz, CristinaTrabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Directores: Dr. D. Juan Luis Aragonés Gómez ; Dr. D. Pablo Llombart González. Los sistemas utilizados en la naturaleza para la captación de luz han inspirado e intrigado a multitud de investigadores, quienes han estudiado durante décadas los principios tras la fotosíntesis. Las estructuras, disposiciones y propiedades químicas de los cromóforos más comunes han sido determinadas experimentalmente (Li et al., 2018), dichas características son cruciales para evitar la disipación de la energía lumínica captada (Nelson and Cox, 2014). En la actualidad, se investiga con la ayuda de la simulación molecular el comportamiento de los excitones y los parámetros tras la transferencia eficiente de energía, tanto en moléculas aisladas (Hashemi et al., 2021) como en fotosistemas completos (Zheng et al., 2021), la simulación de estos sistemas se ve dificultada por la complejidad de las estructuras biológicas (Frederix et al., 2018; Li et al., 2018). La información otorgada por las simulaciones puede ayudar a diseñar de manera más efectiva dispositivos de captación de luz, que serán útiles para satisfacer las necesidades energéticas de la sociedad de forma más sostenible, y para fabricar dispositivos ópticos que presenten respuesta a estímulos lumínicos (Balaban, 2005; Eisele et al., 2012; Grosso et al., 2009; Harmatys et al., 2018). En este trabajo, tutorizado por el Dr. Pablo Llombart y el Dr. Juan Luis aragonés, se estudia el comportamiento de los cromóforos de la familia de las clorofilas usando como modelo la bacterioclorofila a. Se han realizado simulaciones de dinámica molecular con colectivos canónico e isotermo-isobaro en GROMACS, con el fin observar la configuración de los componentes de la bacterioclorofila a y la posición que ocupan las bacterioclorofilas en el espacio. Todas las simulaciones se llevan a cabo en un ambiente que contiene agua, las condiciones de cada simulación vienen dadas, principalmente, por la disposición inicial de las moléculas de bacterioclorofila y en un caso por la presencia de un detergente. Las condiciones son tres: moléculas libres sin disposición concreta y en número creciente de una a diez, 160 moléculas de bacterioclorofila formando un círculo altamente ordenado y una bicapa compuesta por bacterioclorofilas asociadas a moléculas de detergente. Conocer la dinámica de los pigmentos de la familia de las clorofilas y bacterioclorofilas es de gran utilidad para generar ambientes en los que las estructuras compuestas por cromóforos altamente ordenados, características de los sistemas de captación de luz naturales, se mantengan estables, este es el primer paso hacia la transferencia eficiente de energía.
- Trabajo académicoMáximo en densidad de disoluciones de electrolitos(Universidad Internacional de Andalucía, 2022) Fernández-Sedano Vázquez, Lucía; Fernández-Sedano Vázquez, LucíaTrabajo 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.
- Trabajo académicoSimulación 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 RocíoTrabajo 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).