Cinética de las transiciones termodinámicas del agua mediante simulación molecular

Abstract

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.

Water is a system that arouses much interest since it is one of the most abundant molecules in nature and essential for life. Water nucleation phenomena are present in a very wide spectrum of fields, knowing its freezing temperature represents great advances for climate sciences since the formation of ice in clouds modifies their refractory properties and consequently affects radiation. UV that absorbs the earth reducing the effect of climate change. In addition to the optimization of phenomena that depend directly on subcooled water, such as, in microbiology, tissue or food cryopreservation phenomena. A supercooled liquid should form a solid by freezing. This process is usually favored by the presence of impurities. The mechanism of solid phase formation in the presence of impurities is called heterogeneous nucleation. Given the importance in the heterogeneous nucleation of the substrate (impurity), the study of this work will focus on determining how modifying the substrate affects the nucleation process. The study of nucleation phenomena in an experimental way is especially complex, due to the fact that this process has a random nature. This means that neither the exact time nor the exact place where it will occur is known. All this added to the fact that the nucleus of the stable phase that emerges within the metastable phase has a size of the order of nanometers and a lifetime of the order of nanoseconds makes experimental studies very difficult. However, molecular simulation is presented as a very useful tool to study these phenomena, since it gives the freedom to study any system subjected to any condition, since it is perfectly controlled. The simulations allow knowing the position of each particle in space-time, which makes it possible to visualize the nucleation phenomenon. In addition, the time and distance scales are manageable. The main objective of this work has been to study the heterogeneous nucleation of water using a designed artificial substrate in order to determine how much the substrate lattice mismatch affects the nucleation phenomenon. In this work, the results obtained for the monatomic model of water (mW) will be shown. The reason for using this model and not another that better reproduces water conditions (such as TIP4/Ice) is due to the fact that we are dealing with a very novel study and before delving into the study of complex systems, it is convenient to study less complex systems. computationally expensive. Based on the main objective of this work, the conclusion is clear; the substrate is an indispensable part in heterogeneous nucleation. The greater the similarity between the substrate and the phase, the greater the ease of nucleation.