Influencia del CO₂ en la tensión superficial del BMIm acetato : un estudio por dinámica molecular

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.

Molecular simulation is one of the most powerful tools for studying complex systems at the atomic and molecular level, modeling and predicting the behavior of these systems. It uses advanced mathematical models based on fundamental principles of physics and chemistry to describe interactions between particles and analyze their evolution over time. Thanks to computational advances and the availability of specialized software, such as GROMACS, it is possible to study biomolecules such as proteins and nucleic acids. One of the physicochemical properties that can be addressed using this technique is surface tension, a property of great importance as it explains many of the behaviors of liquids. Among the most promising applications of molecular dynamics is the study of ionic liquids (ILs). The uniqueness of these liquids lies both in their unique intrinsic properties and their enormous structural flexibility, as well as the relative simplicity with which they can be designed or functionalized, making them a class of compounds with a wide range of possible applications. Within this large group, 1-butyl-3- methylimidazolium acetate (BMIm Acetate) has attracted considerable interest due to its potential applications in sustainable processes, including carbon dioxide capture and storage. This ionic liquid is a salt that combines the 1-butyl-3-methylimidazolium cation with an acetate anion, characterized by its low volatility and high thermal stability. In this context, the presence of carbon dioxide in an ionic liquid can modify both solubility and molecular interactions, and even relevant interfacial properties such as surface tension. Understanding how this gas influences the behavior of BMIm Acetate allows its use in absorption and separation technologies to be optimized. The objective of this Master's Thesis is to study the influence of carbon dioxide on the surface tension of BMIm Acetate ionic liquid using molecular dynamics. The results confirm that surface tension decreases with temperature and that CO₂ is preferentially located at the interface, rather than BMI and ACE ions. Although its effect on surface tension is not conclusive, this work constitutes a first approximation to the analysis of this phenomenon and opens the door to more detailed studies that will allow us to delve deeper into the role of CO₂ in ionic liquids of this type.