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

Abstract

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.

The coexistence of liquid-vapor phases in ionic systems is a key phenomenon in fluid physics, with applications in fields such as battery electrolytes, industrial separation processes, and the design of advanced materials. This work addresses the study of this phenomenon in an equimolar mixture of oppositely charged ions, where particles interact via a Coulomb potential and a non-additive Lennard-Jones potential. The inclusion of non-additivity introduces additional complexities that significantly affect critical properties and phase stability, providing new insights into the modeling of charged fluids. Through molecular dynamics simulations performed using the LAMMPS software, the effects of particle effective size (σ) and simulation box geometry on phase transitions and critical properties were analyzed. The explored σ values (0.5, 1.3, 1.5, and 2.0) and z-axis elongation ratios (3 and 6 times their initial length) allowed for a systematic study of the influence of these variables. Additionally, interaction cutoff radii (rc) of 2 and 4 were evaluated to understand their impact on thermodynamic properties. Density profiles and Gaussian fits were used to identify and characterize the separation between liquid and vapor phases. The results show that the critical temperature decreases with increasing σ values, as larger σ values favor homogeneous systems. Specifically, σ>1 is associated with less pronounced phase separation and greater separation distances between like-charged particles due to electrostatic repulsion, which contributes to homogeneity. Conversely, σ<1 promotes more defined phase transitions and clearer liquid-vapor separation. Regarding the elongation of the simulation box along the z-axis, no significant changes were observed in the obtained results, concluding that it does not significantly affect the phase diagrams of the studied systems. This work not only provides a deeper understanding of the mechanisms governing phase transitions in charged systems but also establishes a solid foundation for future research aimed at designing functional materials. The results highlight the importance of non-additive interactions and system geometry in phase stability, offering a promising perspective for optimizing properties in technological applications.