Estudio de la línea de disociación del hidrato de nitrógeno metaestable tipo sI

Abstract

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.

It consists of the molecular simulation study of the dissociation line of the sI-type nitrogen hydrate, a metastable phase relevant under high-pressure conditions. Advanced molecular models such as TIP4P/Ice for water and TraPPE-N₂ for nitrogen were used to realistically represent the intermolecular interactions of the system. Simulations were performed in the NPT ensemble using the GROMACS simulation package and the direct coexistence technique, exploring pressures between 1500 and 4500 bar and a wide range of temperatures to identify the three-phase equilibrium points. The analysis was conducted using VMD visualization, density profiles, and potential energy evolution, tools that allowed the differentiation between crystallization, melting, and equilibrium behaviors. Based on these analyses, the three-phase coexistence line was constructed, separating the stability regions of the hydrate from liquid water and gaseous nitrogen. The comparison between the results obtained in this work for the dissociation line of the sI-type nitrogen hydrate and experimental data reported for the sII-type nitrogen hydrate shows that both structures exhibit very similar stability conditions. The simulations predict an increasing dependence of the dissociation temperature with pressure, in agreement with experimental findings. This study contributes not only to the characterization of a scarcely explored system such as the sI nitrogen hydrate but also validates the combination of molecular models for future simulations under extreme conditions. The main limitation of the study was the high computational cost, which prevented a denser grid of pressure-temperature points. Future studies may extend the range of simulated conditions and improve the accuracy of model predictions for hydrate stability.