Simulación Molecular

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Master Thesis
Influencia del CO₂ en la tensión superficial del BMIm acetato : un estudio por dinámica molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Cámara Linares, María Isabel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directores: Dr. Miguel Ángel González González ; Jesús Algaba Fernández. La simulación molecular es una de las herramientas más potentes para el estudio de sistemas complejos a nivel atómico y molecular, modelando y prediciendo el comportamiento de estos sistemas. Se emplean modelos matemáticos avanzados, basados en principios fundamentales de la física y la química para poder describir las interacciones entre partículas y así, analizar su evolución en el tiempo. Gracias a los avances computacionales y a la disponibilidad de software especializado, como GROMACS, es posible el estudio de biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. Una de las propiedades fisicoquímicas que puede abordarse mediante esta técnica es la tensión superficial, propiedad de gran importancia ya que da respuesta a muchos de los comportamientos de los líquidos. Entre las aplicaciones más prometedoras de la dinámica molecular se encuentra el estudio de líquidos iónicos (LI). La singularidad de estos líquidos radica tanto en sus propiedades intrínsecas únicas como a su enorme flexibilidad estructural, así como a su relativa sencillez con la que pueden diseñarse o funcionalizarse, lo que los convierte en una clase de compuestos con una gran cantidad de aplicaciones posibles. Dentro de este gran grupo, el acetato de 1-butil-3-metilimidazolio (BMIm Acetato) ha despertado un gran interés debido a sus aplicaciones potenciales en procesos sostenibles, incluyendo la captura y almacenamiento de dióxido de carbono. Este líquido iónico es una sal que combina el catión 1-butil-3-metilimidazolio con un anión acetato, caracterizado por su baja volatilidad y su alta estabilidad térmica. En este contexto, la presencia de dióxido de carbono en un líquido iónico puede modificar tanto la solubilidad como las interacciones moleculares e incluso propiedades interfaciales relevantes, tales como la tensión superficial. Conocer cómo este gas influye en el comportamiento del BMIm Acetato permite optimizar su uso en tecnologías de absorción y separación. El presente Trabajo de Fin de Máster tiene como objetivo el estudio de la influencia del dióxido de carbono en la tensión superficial del líquido iónico BMIm Acetato mediante la dinámica molecular. Los resultados confirman que la tensión superficial disminuye con la temperatura y que el CO₂ se localiza preferentemente en la interfase, antes que los iones BMI y ACE. Aunque su efecto sobre la tensión superficial no resulta concluyente, este trabajo constituye una primera aproximación al análisis de este fenómeno y abre la puerta a estudios más detallados que permitan profundizar en el papel del CO₂ en líquidos iónicos de este tipo.
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Diagrama de fases de modelos sencillos de partículas con una corona blanda
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Solórzano Acevedo, Karina
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directora: Dra. Eva González Noya. El presente trabajo presenta el estudio detallado de variante continua de un modelo de partículas con núcleo duro y corona blanda, basado en un potencial Square-Shoulder (SS). Este potencial se implementó en simulaciones de dinámica molecular utilizando LAMMPS, con el fin de analizar las propiedades termodinámicas y estructurales en un extenso rango de temperaturas y densidades (T* = 0.4 – 1.0, ρ* = 0.05 – 0.95). La evaluación del desempeño de este modelo se hizo mediante el cálculo y la comparación del factor de compresibilidad Z con los valores reportados por Heyes et al. (1991), demostrando una notable concordancia al utilizar valores elevados de los parámetros (k = 100, n = 100). El análisis de las propiedades como la energía, la presión y funciones de distribución radial g(r*) medidas durante el enfriamiento a lo largo de las isócoras permitió identificar posibles transiciones de fase. Los resultados mostraron que a densidades superiores o iguales a 0.85 unidades reducidas el fluido sufre una transición a estructuras ordenadas donde se aprecian patrones poligonales similares a los que aparecen en un cristal aperiódico decagonal, mientras que el sistema permanece en el estado fluido en todo el intervalo de temperatura estudiado (T* = 0.4-1.0) a densidades menores que 0.80 unidades reducidas. Además, el coeficiente de difusión D*, obtenido a partir de la media cuadrática de desplazamiento (MSD), corroboró la restricción de la movilidad bajo esas mismas condiciones, lo cual es compatible con una transición hacia estados sólidos.
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Estudio de equilibrio de fases de la mezcla binaria hidroquinona+CO₂
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Rodríguez Barrera, José Antonio
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directores: Dr. Felipe Jiménez Blas ; Jesús Algaba Fernández. La creciente necesidad de desarrollar tecnologías de captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO₂) impulsa el estudio de sistemas capaces de retener este gas. En este contexto, los compuestos orgánicos con capacidad de interacción específica con el CO₂, como la hidroquinona (HQ), constituyen una alternativa sostenible prometedora. Para evaluar esta aplicabilidad se han evaluado las propiedades interfaciales de la mezcla binaria HQ+CO₂ a partir de la simulación directa de su interfase líquido-líquido a distintas condiciones de temperatura y presión. Para ello se ha considerado un modelo de hidroquinona basado en el campo de fuerza OPLS (Optimised Potentials for Liquid Simulations) pero donde las cargas parciales localizadas en cada centro de interacción de la molécula han sido reparametrizadas, OPLS-MOD, y un modelo de CO₂ basado en el campo de fuerza TraPPE (Transferable Potentials for Phase Equilibria). Se han empleado simulaciones de dinámica molecular en el colectivo NPzT para explorar el equilibrio de fases y las propiedades interfaciales líquido-líquido de la mezcla binaria HQ+CO₂ a dos temperaturas (500 y 600 K) y varias presiones. A partir de estas simulaciones, se han obtenido los perfiles de densidad y fracciones molares de cada componente en ambas fases en equilibrio y se ha analizado el efecto de la presión y de la temperatura. También se han analizado las tensiones interfaciales evaluadas según las componentes normal y tangencial del tensor de presión utilizando la ruta del virial. Como resultado, al aumentar la presión se observa un aumento progresivo de la miscibilidad mutua y captación de CO₂ en la estructura molecular de la HQ, un efecto similar se encuentra al aumentar la temperatura. También se han apreciado fenómenos como la absorción selectiva de CO₂ en la interfase a presiones bajas, la inversión barotrópica en las densidades de ambas fases y una tensión superficial que disminuye de forma continua con la presión, desapareciendo en el punto crítico de mezcla.
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Determinación de la línea de disociación del H₂S mediante dinámica molecular
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) García Pinar, Gioele
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directores: Dr. Jesús Algaba Fernández ; Dr. Felipe Jiménez Blas. Los hidratos de gas son una serie de compuestos de inclusión formados una red de moléculas de agua estructuradas de manera cristalina, denominadas moléculas anfitrionas, en cuyo interior se forman unas cavidades donde se alojan moléculas de gas, también conocidas como moléculas huéspedes. El presente trabajo se ha centrado en el estudio del hidrato de sulfuro de hidrógeno (H₂S). Conocer las condiciones de estabilidad termodinámica de dicho compuesto resulta de vital importancia en el caso del sector energético ya que aparece de manera natural en los gaseoductos que transportan el gas natural, pudiendo generar problemas graves para la seguridad de tales infraestructuras. Para ello, se han llevado a cabo con el paquete GROMACS diversas simulaciones de dinámica molecular en el colectivo isotérmico-isobárico (NPT) con el objetivo de caracterizar la línea de disociación del hidrato de H₂S en la región del diagrama de fases P-T del sistema agua Líquida - Hidrato - sulfuro de hidrógeno Liquido (Lw − H − LH₂S) comprendida entre 298 a 317 K de temperatura, y 40 a 800 bar de presión. El estudio se llevó a cabo de acuerdo a la técnica de Coexistencia Directa, en la cual las tres fases implicadas en el equilibrio se sitúan en una misma caja de simulación a unas condiciones termodinámicas y se analiza la estabilidad del hidrato. El análisis principal de los resultados de las simulaciones se realizó atendiendo a la evolución temporal de la energía potencial del sistema. Esto permite conocer de manera inequívoca si el hidrato es o no la fase más estable a las condiciones de simulación. Tales resultados fueron respaldados tanto por imágenes del sistema al comienzo y al final de las simulaciones, como por los perfiles de densidad a lo largo del eje que contiene las tres fases. Todo ello permitió analizar la estabilidad de la fase hidrato frente a las condiciones termodinámicas impuestas en la simulación. Para representar las moléculas de agua y sulfuro de hidrógeno se utilizaron los modelos TIP4P/Ice y TraPPE-Small H₂S, respectivamente, obteniendo unos resultados en excelente concordancia con las últimas publicaciones al respecto, tanto con los valores experimentales como con el último modelo de predicción de la línea de disociación del hidrato de H₂S. Desgraciadamente, no se puede aportar una comparación directa con otros resultados de simulación puesto que, hasta donde el autor de este trabajo conoce, es la primera vez que se obtiene el diagrama de fases del hidrato de H₂S por simulación.
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Simulación de fullerenos para la separación y almacenamiento de hidrógeno
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Olea Quevedo, Daniel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directores: Dr. Manuel Martínez Piñeiro ; Dr. Martín Pérez Rodríguez. En este trabajo se estudia, a través de la dinámica molecular, el comportamiento del clatrato de hidroquinona y fullereno frente al almacenamiento de hidrógeno. Se ha evaluado la estabilidad estructural del clatrato y caracterizado su comportamiento al entrar en contacto con un baño de hidrógeno a diferentes presiones. El análisis de las simulaciones revela que, en la interfase clatrato–hidrógeno, tienen lugar fenómenos de condensación del H2 y de fusión de la red de hidroquinona, limitan lapermeabilidad del material. Sin embargo, el estudio de la estructura del clatrato muestra la existencia de canales que permiten su difusión del hidrógeno en su interior. Los resultados obtenidos son consistentes con los datos experimentales del clatrato de fullereno y de otros clatratos basados en la hidroquinona. Estos resultados ayudan a comprender los mecanismos de estabilidad del clatrato y su interacción con el hidrógeno, aportando información relevante para su evaluación como posible material de almacenamiento y transporte de hidrógeno.
Master Thesis
Sedimentación de disoluciones coloidales
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) González Lara, Manuel; González Lara, Manuel
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Director: Dr. Luis González MacDowell. La sedimentación de disoluciones coloidales es un fenómeno fundamental que conecta conceptos de física de materia blanda con aplicaciones científicas e industriales. Este trabajo aborda el estudio de los coloides, su comportamiento bajo la influencia de la gravedad y su análisis mediante simulaciones moleculares, con énfasis en modelos de esferas blandas como sistemas ideales para entender transiciones de fase y comportamientos estructurales. Los coloides son mezclas heterogéneas donde partículas microscópicas permanecen suspendidas en un medio continuo. Estas partículas son mucho mayores que los átomos o moléculas (típicamente entre 1 nanómetro y 1 micrómetro), lo que hace que, a diferencia de los componentes atómicos, su masa sea suficiente para que la gravedad tenga un efecto apreciable sobre ellas. Interactúan mediante fuerzas suaves, como la exclusión de volumen, que gobierna su organización y comportamiento. Fenómenos como el movimiento browniano y las fuerzas electrostáticas influyen en la formación de agregados y fases cristalinas, claves en la fabricación de nanomateriales. Comprender la sedimentación de estas partículas bajo la gravedad y su redistribución en el tiempo es esencial en múltiples campos, incluyendo alimentos, medicamentos y materiales avanzados. Es evidente por tanto que los coloides tienen interés tecnológico, y además tienen un interés científico muy grande. Algunos investigadores observaron que hay coloides que presentan nada más que interacciones repulsivas de muy corto alcance (en relación con su tamaño). Es por eso por lo que los coloides han atraído la atención de la comunidad de física molecular. Los coloides sirven de modelo de esferas duras y presentan la ventaja de que su comportamiento se puede estudiar mediante simple microscopía óptica. Las esferas duras se consideran un modelo ideal debido a su simplicidad y capacidad de replicar fenómenos observados en sistemas reales. Sus transiciones de fase, impulsadas únicamente por la entropía, ofrecen un puente entre experimentos y simulaciones teóricas. Estudios pioneros de Pusey y Van Megen han demostrado que suspensiones coloidales ajustadas adecuadamente imitan el comportamiento de estas esferas, permitiendo validar y refinar modelos computacionales. Para estudiar este tipo de sistemas mediante simulaciones, resulta necesario emplear potenciales que reproduzcan adecuadamente la repulsión entre partículas. En este contexto, el modelo de potencial truncado de Weeks-Chandler-Andersen (WCA) es especialmente útil, ya que presenta un comportamiento similar al de las esferas duras, pero con la ventaja de ser un potencial continuo y derivable, lo que facilita su implementación en simulaciones de Dinámica Molecular. Utilizando un software como LAMMPS, los procesos de sedimentación, agregación y transición de fases son analizados a través de técnicas como el cálculo del tensor de presiones (Método de Kirkwood) y densidades promedio. Estas simulaciones permiten explorar comportamientos complejos y validar teorías fundamentales sobre interacción y estructura coloidal. La simulación realizada parte de una configuración inicial sólida. Se estudian distintas condiciones para obtener las fases sólida y líquida, y posteriormente se introduce un campo gravitatorio para analizar su coexistencia, así como los fenómenos de sedimentación y redistribución de partículas. Este enfoque integral demuestra cómo la simulación molecular puede ayudar al cálculo de las propiedades de sistemas coloidales, abriendo puertas a aplicaciones prácticas en investigación científica e innovación tecnológica. La sedimentación y las transiciones de fase en estos compuestos proporcionan conocimientos fundamentales para optimizar procesos industriales y avanzar en la comprensión de la materia blanda.
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Microreología de materiales poliméricos
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Luengo Salamero, Óscar; Luengo Salamero, Óscar
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Director: Dr. Alessandro Patti. Este Trabajo Fin de Máster aborda el estudio de las propiedades viscoelásticas de materiales poliméricos, centrándose en el polietileno (PE) y su modificación mediante la incorporación de nanopartículas distribuidas en nanodímeros (NP2), con el objetivo de comprender cómo estas últimas alteran las propiedades del material a escala local. Para ello, se empleó la simulación molecular como herramienta principal, utilizando un modelo de Kremer-Grest (KG). Se construyeron y analizaron comparativamente dos sistemas: uno compuesto por polietileno puro y un segundo sistema nanocompuesto, que contenía un 5% en peso de nanodímeros rígidos (NP2). Las interacciones intermoleculares se modelaron mediante un potencial puramente repulsivo Weeks-Chandler-Andersen (WCA), mientras que la conectividad de las cadenas poliméricas se aseguró con un potencial no lineal FENE y su rigidez se moduló con un potencial de flexión. Las simulaciones se llevaron a cabo en el colectivo NVT a temperatura constante. Un aspecto metodológico crucial, validado mediante simulaciones comparativas, fue la elección del potencial WCA también para las interacciones entre nanopartículas. Esta decisión fue fundamental para prevenir la formación de agregados, un problema recurrente con potenciales atractivos tipo Lennard-Jones, garantizando así una dispersión homogénea y estable de las nanopartículas en la matriz polimérica. La estabilidad estructural y energética de ambos sistemas fue confirmada a través del análisis de los parámetros estructurales y energeticos del sistema, demostrando que la adición de nanopartículas no alteraba significativamente la conformación global de las cadenas de polímero. Sin embargo, el análisis de la dinámica de las cadenas reveló que, si bien el desplazamiento cuadrático medio (MSD) era mayor en el sistema puro, el coeficiente de difusión era superior en el nanocompuesto. Este hallazgo sugiere que las nanopartículas, aunque imponen restricciones, generan simultáneamente zonas de baja densidad o "caminos preferenciales" que facilitan la difusión local de las cadenas. A partir del MSD de la trazadora, se calcularon los módulos de almacenamiento (G', elástico) y de pérdida (G'', viscoso). El comportamiento súper-difusivo en el nanocompuesto se tradujo directamente en una alteración de la respuesta viscoelástica: la transición del dominio viscoso (G'' > G') al elástico (G' > G') se desplazó hacia frecuencias más bajas. Esto indica que el nanocompuesto adquiere un comportamiento de sólido elástico a escalas de tiempo más largas que el polímero puro. Coherentemente, se determinó una menor viscosidad local para el sistema con nanopartículas. Este estudio demuestra cómo la Microreología, acoplada a la simulación molecular, es una herramienta poderosa para detectar las modificaciones estructurales a nano-escala con cambios en la respuesta viscoelástica de los materiales proporcionando información crítica para el diseño de materiales poliméricos avanzados.
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Estudio de la línea de disociación del hidrato de nitrógeno metaestable tipo sI
(Universidad Internacional de Andalucía, 2025) Sánchez Hernández, Ignacio; Sánchez Hernández, Ignacio
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Directores: Dr. Jesús Algaba Fernández; Miguel Ángel González González. Ha consistido en el estudio mediante simulaciones moleculares de la línea de disociación del hidrato de nitrógeno tipo sI, una fase metaestable relevante en condiciones de alta presión. Se han empleado modelos moleculares avanzados como TIP4P/Ice para el agua y TraPPE-N₂ para el nitrógeno, permitiendo simular con realismo las interacciones intermoleculares del sistema. Las simulaciones se llevaron a cabo en el colectivo isotérmico-isobárico utilizando el paquete de simulación GROMACS y la técnica de coexistencia directa, explorando presiones entre 1500 y 4500 bar y un amplio rango de temperaturas para identificar los puntos de equilibrio trifásico. El análisis del sistema se realizó a través la visualización en VMD del sistema, los perfiles de densidad y de la evolución de la energía potencial, herramientas que permitieron distinguir entre comportamientos de cristalización, fusión y equilibrio. Con base en estos análisis, se construyó la línea de coexistencia trifásica que separa las regiones de estabilidad del hidrato respecto al agua líquida y al nitrógeno gaseoso. La comparación de los resultados obtenidos con datos experimentales de la literatura. La comparación de los resultados obtenidos en este trabajo sobre la línea de disociación del hidrato de nitrógeno tipo sI, con datos experimentales de la línea de disociación del hidrato de nitrógeno tipo sII, muestran que ambas estructuras presentan unas condiciones de estabilidad muy parecidas. La simulación predijo una dependencia creciente de la temperatura de disociación con la presión, coincidente con los resultados experimentales. Este trabajo no solo contribuye a la caracterización de un sistema poco explorado como es el hidrato de nitrógeno sI, sino que también valida la combinación de modelos moleculares para futuras simulaciones en condiciones extremas. La limitación principal del estudio fue el coste computacional elevado, lo que impidió una mayor densidad de puntos en el espacio presión-temperatura. Futuros estudios podrán ampliar la cobertura de condiciones y optimizar los modelos empleados para una predicción más precisa de la estabilidad de este tipo de hidratos.
Master Thesis
Equivalencia entre potenciales blandos y duros en cristales líquidos discóticos
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Anelo Cruz, Silvia; Anelo Cruz, Silvia
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Director: Dr. Alejandro Cuetos Menéndez. El objetivo principal de este trabajo ha sido investigar el comportamiento de fases de partículas discóticas mediante simulaciones con el método de Monte Carlo en colectivo isotérmico-isobárico. Se pretendía comprobar si el comportamiento de un modelo blando con interacción repulsiva podía ser reescalado a partir de los resultados obtenidos de un modelo duro. Es decir, se han ajustado algunos parámetros y variables como pueden ser el tamaño de las partículas, para comprobar si es posible una comparación directa de ambos modelos. Para ello, se realizó simulaciones utilizando dos tipos de modelos esferocilíndricos: uno duro, el modelo de esferocilindros discóticos repulsivos duros (OHSC), que ha sido previamente estudiado por otros autores y cuyo diagrama de fases es conocido; y otro blando, el modelo esferocilíndrico blando repulsivo (OSRS). En ambos modelos, se encontró que la secuencia de fases observadas depende de la anisotropía de las partículas, es decir, de la diferencia en las propiedades geométricas o físicas de las partículas según la dirección, replicando en este caso los resultados de estudios anteriores. Para anisotropías grandes, ambos modelos muestran la presencia de una fase nemática, mientras que para anisotropías menores se observan únicamente fases columnares o isotrópicas. Se comparó ambos modelos y por tanto se intentó reescalar los resultados del modelo blando al duro proponiendo que el primero podría ser equivalente al segundo si se consideraba una anisotropía efectiva. Aunque las interacciones entre partículas duras y blandas sean diferentes, ya que en estas últimas las partículas pueden solaparse o tienen interacciones más complejas que las duras, se podría conseguir una anisotropía más ajustada o efectiva para el modelo blando que haga que su comportamiento sea similar o equivalente al duro. De esta manera el comportamiento de fase de uno se podría asemejar al otro, facilitando el estudio de sus propiedades y su relación con los parámetros geométricos y físicos de las partículas. Esta metodología de reescalado, que ha demostrado ser efectiva en estudios previos de fluidos de partículas alargadas, mostró resultados diferentes en nuestro caso: en algunas condiciones, el reescalado fue exitoso y los resultados coincidieron con los del modelo duro, pero en otras no se consiguió una correspondencia adecuada. En conclusión, aunque el enfoque del reescalado puede ser útil para ciertas variables o parámetros, se ha comprobado que en el caso de partículas discóticas repulsivas no es concluyente. Pueden existir otros factores, como las interacciones repulsivas o la geometría de las partículas que juegan un papel importante y sugieren la necesidad de profundizar en el estudio de estos modelos. Esto permitiría conocer mejor sus limitaciones y diferencias, y lograr así una mayor concordancia en sus diagramas de fases.
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Estudio por simulación molecular de la coexistencia líquido-vapor en una mezcla equimolar de iones de signo contrario que interactúan mediante el potencial de Coulomb y un potencial Lennard-Jones no aditivo
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Ruiz Lucena, María del Pilar; Ruiz Lucena, María del Pilar
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2023/24). Directores: Dr. José Manuel Romero Enrique; Dr. Álvaro Rodríguez Rivas. La coexistencia de fases líquido-vapor en sistemas iónicos es un fenómeno clave en la física de fluidos, con aplicaciones en campos como los electrolitos para baterías, los procesos de separación industrial y el diseño de materiales avanzados. Este trabajo aborda el estudio de este fenómeno en una mezcla equimolar de iones de signo contrario, donde las partículas interactúan mediante un potencial de Coulomb y un potencial Lennard-Jones no aditivo. La inclusión de la no aditividad introduce complejidades adicionales que afectan significativamente las propiedades críticas y la estabilidad de las fases, aportando nuevas perspectivas para la modelización de fluidos cargados. A través de simulaciones de dinámica molecular realizadas con el software LAMMPS, se analizaron los efectos del tamaño efectivo de las partículas (σ) y la geometría de la caja de simulación sobre la transición de fases y las propiedades críticas. Los valores de σ explorados (0.5, 1.3, 1.5 y 2.0) y las proporciones del eje z (3 y 6 veces su longitud inicial) permitieron estudiar de manera sistemática la influencia de estas variables. Adicionalmente, se evaluaron radios de corte de interacción (rc) de 2 y 4 para comprender su impacto en las propiedades termodinámicas. Los perfiles de densidad y ajustes gaussianos se usaron para identificar y caracterizar la separación entre las fases líquida y vapor. Los resultados muestran que la temperatura crítica disminuye con valores crecientes de σ, ya que favorecen sistemas homogéneos. En particular, σ>1 se asocia con una separación de fases menos pronunciada y distancias de separación mayores entre partículas de igual signo debido a la repulsión electrostática, lo que contribuye a la homogeneidad. Por otro lado, valores de σ<1 promueven transiciones de fase más definidas y claras separaciones líquido-vapor. En cuanto al alargamiento de la caja en el eje z, no mostró cambios significativos en los resultados obtenidos, concluyendo que no afecta de forma significativa a los diagramas de fases de los sistemas estudiados. Este trabajo no solo proporciona una comprensión más profunda de los mecanismos que gobiernan las transiciones de fase en sistemas cargados, sino que también establece una base sólida para futuras investigaciones orientadas al diseño de materiales funcionales. Los resultados obtenidos destacan la importancia de las interacciones no aditivas y la geometría del sistema en la estabilidad de fases, ofreciendo una perspectiva prometedora para la optimización de propiedades en aplicaciones tecnológicas.
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Determinación de la solubilidad de alcoholes en agua a presión atmosférica
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Sala Borredà, María José; Sala Borredà, María José
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2023/24). Directores: Dr. Felipe Jiménez Blas; Dr. Jesús Algaba Fernández. En este Trabajo Fin de Master se ha llevado a cabo el estudio de las propiedades interfaciales y de equilibrio líquido-líquido de la mezcla 1- butanol+agua. En particular, se han obtenido los perfiles de densidad, las solubilidades y densidades de ambas fases en equilibrio, así como la tensión interfacial. Este estudio se ha realizado a la presión de 1 bar y en un rango de temperaturas desde 280 hasta 380 K. Este trabajo se ha realizado mediante simulación en dinámica molecular utilizando el paquete de simulación GROMACS (versión 2016.5 en doble precisión). El modelo de agua utilizado es el ampliamente conocido TIP4P/2005 mientras que el 1-butanol ha sido modelado con el campo de fuerzas TraPPE (Transferable Potentials for Phase Equilibria). Los resultados obtenidos en este trabajo han sido comparados con resultados publicados previamente en la literatura obtenida mediante experimentos. Además, los resultados obtenidos en este trabajo se comparan con los resultados de un trabajo ya publicado, donde el mismo sistema fue estudiado mediante simulación molecular. Los modelos y los detalles de simulación usados en ambos trabajos son idénticos, excepto el valor del radio de corte para las interacciones dispersivas. En el trabajo tomado de la literatura, el radio de corte fue de 1.975 nm y no se aplicaron correcciones de largo alcance. En este trabajo, se ha empleado un radio de corte menor, 1.185 nm, pero se han utilizado correcciones de largo alcance inhomogéneas para las interacciones dispersivas. De este modo se podrá discutir el efecto del radio de corte sobre las propiedades anteriormente mencionadas.
Master Thesis
Estudio de nucleación de cristales mediante simulación
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Marqués Hinojosa, Francisco; Marqués Hinojosa, Francisco
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2023/24). Directora: Dra. Eva González Noya. En este trabajo hemos llevado a cabo un estudio sobre la nucleación de cristales utilizando el método de dinámica molecular. La nucleación de cristales es el fenómeno por el que se forman pequeños agregados sólidos en el seno de un líquido bajo ciertas condiciones termodinámicas. Este fenómeno da origen a la formación de cristales macroscópicos. El objetivo principal del trabajo es conocer la influencia que tienen los núcleos policristalinos a metaestabilidades bajas en las tasas de nucleación. Para ello hemos simulado la evolución de semillas cristalinas con distintas estructuras en el líquido metaestable, lo que se conoce como método de Seeding. Las simulaciones se han realizado empleando el modelo de esferas duras. Este modelo, aunque muy sencillo, es aún muy común en simulaciones moleculares y útil para estudiar el fenómeno de la nucleación. Para realizar las simulaciones se ha usado el paquete GROMACS y el modelo de esferas pseudo-duras, la versión de potencial continuo del modelo de esferas duras. Realizamos una primera tanda de simulaciones en el colectivo NPT con configuraciones de esferas duras FCC, HCP y líquido. Estas primeras simulaciones nos sirvieron para calcular, mediante un análisis de mislabelling, los valores de los parámetros de orden de Lechner-Dellago, que caracterizan las moléculas como líquidas o sólidas y su estructura cristalina en caso de que sea sólida. Este análisis nos permitió después estudiar el tamaño y la estructura de los núcleos. Posteriormente realizamos las simulaciones, en el colectivo NVT, siguiendo el método de Seeding. Para ello empleamos tres tipos de semillas (monocristalinas FCC, policristalinas FCC+HCP e icosaedros de Mackay) y dos tamaños de sistema de 27000 y 64000 esferas duras, lo que son seis casos en total. En todos estos casos buscamos estabilizar un clúster sólido, en equilibrio con el líquido. Las simulaciones con las semillas FCC reproducen resultados previos en la literatura con buen acuerdo. Para estabilizar los núcleos se realizaron varias pruebas de ensayo y error hasta conseguir núcleos estables, ya que es necesario que se cumplan varias condiciones para conseguir estabilizar el núcleo sólido en el líquido metaestable. Con los resultados de las simulaciones NVT introduciendo las distintas semillas hemos medido la presión de equilibrio y el tamaño total del núcleo, así como el número de moléculas pertenecientes a estructuras de orden local FCC o HCP, haciendo uso de un análisis de parámetros de orden. Con estos datos vemos que existe una relación inversa entre el tamaño del núcleo y la presión en equilibrio para todos los casos. Tanto para las semillas policristalinas como los icosaedros de Mackay generan clústeres de mayor tamaño que las semillas FCC a presiones en el equilibrio semejantes. En el futuro sería interesante estudiar las velocidades de crecimiento para cada tipo de semilla sólida para determinar su posible influencia en las tasas de nucleación de esferas duras.
Master Thesis
Solubility and dissociation of ionic liquids in epoxides and cyclic carbonates by molecular dynamics
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Dorado Alfaro, Sergio; Dorado Alfaro, Sergio
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2023/24). Director: Dr. Felipe Jiménez Blas. Climate emergency has led to the investigation of CO2 valorisation routes capable of converting this greenhouse gas into a valuable resource. A competitive process included in this circular economy transition framework is the catalytic CO2 cycloaddition to epoxides, to produce cyclic carbonates. Halide-based Ionic liquids have been postulated to be a competitive choice to catalyse this reaction by their favourable physico-chemical properties, which can be enhanced towards specific objectives by cation and anion selection and functionalization. In this context of improvement, experimental and DFT theoretical studies have been carried out, leading to inconsistencies and contradictions regarding the cations and anions effects, resulting impossible until recently to set generalizations that permit the construction of an effective route for molecule design towards the optimization of the catalytic activity in terms of the carbonate yield. Latest studies have found that cation-anion dissociation constant is a key descriptor of the catalytic activity and is intimately linked to the cation-anion interaction strength. It has been found that cation-anion interaction is predominant, confirmed experimentally by low conductivities of the epoxide medium with dissolved Ionic Liquid. This result has led to question the most extended paradigm that considers ionic liquids ions as dissociated free interacting species, which is the fundament of the most extended reaction mechanism. In this work, the problem was addressed by a different simulation technique, classical molecular dynamics. To replicate experimental conditions, propylene epoxide and carbonate force fields found in the literature were evaluated in terms of their vapor-liquid phase equilibria. With the epoxide and carbonate ready and with CL&P force field model for ionic liquids, solubilities were tested for [N4444] and [N2222] cations combined independently with the halide anions [I], [Br] and [Cl]. Results showed that [N2222] cation-based ionic liquids crystalized and were therefore insoluble in the epoxide/carbonate medium, whereas [N4444] cation-based ionic liquids demonstrated slow diffusion. Both results were endorsed experimentally. Simulation visualizations showed ion pairs rather than dissociation species. Lastly, reaction medium interactions were studied between key atoms in terms of the reaction mechanism. It was found that cation-anion interaction follows the catalytic activity trend, being [I] the halide anion less associated with the three studied cations ([N4444], [bmim] and [emim]), and at the same time, being those ionic liquids the ones that displayed a better interaction between the cation and the epoxide Oxygen, phenomena that can be liked to epoxide activation and reaction intermediates stabilization. Therefore, the path towards the understanding of the mechanisms underlying the catalytic activity has been widen, with new simulation techniques that have enabled a better understanding of the complex interactions interplay present in this catalytic system.
Master Thesis
Simulación molecular de modelos sencillos de partículas con una corona blanda
(Universidad Internacional de Andalucía, 2024) Rodríguez Rodríguez, Ismael; Rodríguez Rodríguez, Ismael
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2023/24). Directora: Dra. Eva González Noya. En el presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) se detalla la implementación de un modelo continuo del potencial Hard-Core Square-Shoulder (HCSS) en simulación molecular de Dinámica Molecular Clásica, con el objetivo de abrir una nueva puerta en la línea de investigación relacionada con el estudio de sistemas químicos donde puedan diferenciarse un núcleo duro (core) y una zona corona blanda, con interacción puramente repulsiva, p. ej., los sistemas que forman micelas o polímeros de bloques. Se presenta una comparación de algunas propiedades termodinámicas, estructurales y dinámicas obtenidas, así como la determinación de ecuaciones de estado, en este trabajo con varios autores. Concretamente, las propiedades dinámicas y estructurales determinadas son la viscosidad, el coeficiente de difusión, la función de distribución radial y el número de coordinación en la corona blanda. Se concluyó que los resultados obtenidos de la función de distribución radial y número de coordinación concordaban con resultados de la literatura. El coeficiente de difusión y la viscosidad muestran el comportamiento esperado; el coeficiente de difusión disminuye al aumentar la densidad y la temperatura, mientras que la viscosidad aumenta. A alta densidad y baja temperatura, las propiedades termodinámicas y dinámicas podrían ser consistentes con los de un estado vítreo, aunque se necesitaría un estudio más profundo para confirmar esta observación.
Master Thesis
Estructura y estabilización de clorosomas en ambientes acuosos
(Universidad Internacional de Andalucía, 2023) García Ruiz, Cristina; García Ruiz, Cristina
Trabajo 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.
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Separación de fases soluto-solvente en presencia de campo eléctrico
(Universidad Internacional de Andalucía, 2023) Cardeñosa García, Ismael; Cardeñosa García, Ismael
Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Director: Dr. D. Enrique Lomba García. Este trabajo se centra en el estudio de modelos de sistemas de almacenamiento de energía basados en condensadores electrolíticos de doble capa (EDLC) por simulación molecular. Estos condensadores están formados por un electrolito (compuesto por un catión, un anión y un disolvente) que se encuentra localizado entre dos electrodos conductores, en este caso de grafeno (actuando uno como cátodo y el otro como ánodo). El trabajo se divide en dos partes principales: en la primera parte utilizaremos un modelo sencillo como el de (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022), en el que todos los componentes del electrolito son partículas esféricas y el disolvente es apolar, pero con la diferencia de que realizaremos todas las simulaciones manteniendo constante el potencial entre los electrodos, procedimiento computacionalmente más costoso. Siguiendo a (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022), el estudio se realizará a varias temperaturas aproximándose a las condiciones de separación de fases soluto-disolvente, donde se comprobará el aumento de la capacitancia debido a fluctuaciones de concentración. El empleo de simulaciones a potencial constante nos permitirá determinar la capacitancia diferencial, que es la propiedad que habitualmente se determina experimentalmente. En la segunda parte, realizaremos la simulación del sistema utilizando agua (líquido polar) como disolvente y también a potencial constante, manteniendo los demás componentes del electrolito como en (Cruz, Lomba, & Ciach, 2022). Es un estudio preliminar en el que se analizarán los efectos de la solvatación de los iones del electrolito en presencia de un campo eléctrico. Para ello empleamos el modelo de agua conocido como TIP4P/2005, modificando los parámetros de la interacción soluto-disolvente para llevar nuestro electrolito a unas condiciones cercanas al desmezclado (separación de fases). Nuestro modelo aquí también consta de cationes y aniones esféricos para el electrolito, y construyendo los electrodos de grafeno como en la primera parte. La carga del condensador también se lleva a cabo manteniendo el potencial constante en los electrodos. Veremos que el empleo de un disolvente polar modifica sustancialmente los perfiles de densidad de carga y el potencial de Poisson con respecto a nuestro modelo compuesto de partículas totalmente esféricas. En conclusión, este trabajo aborda la representación y simulación de sistemas de almacenamiento de energía basados en condensadores electrolíticos de doble capa, simulándolos a potencial constante y utilizando como disolvente tanto un modelo de un líquido apolar como de un líquido polar. Analizando el efecto de la temperatura, para llevar al sistema a zonas próximas a la separación de fases (desmezclado), se observa que las fluctuaciones de concentración incrementan la capacitancia diferencial del condensador. La adopción de estas metodologías y herramientas matemáticas permite una descripción detallada a nivel microestructural (molecular) del comportamiento de la capacitancia en diferentes condiciones termodinámicas y para distintos disolventes. Los resultados obtenidos pueden contribuir en un futuro al desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes y con mayor capacidad de almacenamiento energético, así como a optimizar las condiciones de trabajo de los mismos.
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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.
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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.
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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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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.