Microreología de materiales poliméricos
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Editorial
Resumen
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 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.