Simulación Molecular

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Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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).
Trabajo académico
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.
Trabajo académico
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.