Equivalencia entre potenciales blandos y duros en cristales líquidos discóticos

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Director: Dr. Alejandro Cuetos Menéndez. El objetivo principal de este trabajo ha sido investigar el comportamiento de fases de partículas discóticas mediante simulaciones con el método de Monte Carlo en colectivo isotérmico-isobárico. Se pretendía comprobar si el comportamiento de un modelo blando con interacción repulsiva podía ser reescalado a partir de los resultados obtenidos de un modelo duro. Es decir, se han ajustado algunos parámetros y variables como pueden ser el tamaño de las partículas, para comprobar si es posible una comparación directa de ambos modelos. Para ello, se realizó simulaciones utilizando dos tipos de modelos esferocilíndricos: uno duro, el modelo de esferocilindros discóticos repulsivos duros (OHSC), que ha sido previamente estudiado por otros autores y cuyo diagrama de fases es conocido; y otro blando, el modelo esferocilíndrico blando repulsivo (OSRS). En ambos modelos, se encontró que la secuencia de fases observadas depende de la anisotropía de las partículas, es decir, de la diferencia en las propiedades geométricas o físicas de las partículas según la dirección, replicando en este caso los resultados de estudios anteriores. Para anisotropías grandes, ambos modelos muestran la presencia de una fase nemática, mientras que para anisotropías menores se observan únicamente fases columnares o isotrópicas. Se comparó ambos modelos y por tanto se intentó reescalar los resultados del modelo blando al duro proponiendo que el primero podría ser equivalente al segundo si se consideraba una anisotropía efectiva. Aunque las interacciones entre partículas duras y blandas sean diferentes, ya que en estas últimas las partículas pueden solaparse o tienen interacciones más complejas que las duras, se podría conseguir una anisotropía más ajustada o efectiva para el modelo blando que haga que su comportamiento sea similar o equivalente al duro. De esta manera el comportamiento de fase de uno se podría asemejar al otro, facilitando el estudio de sus propiedades y su relación con los parámetros geométricos y físicos de las partículas. Esta metodología de reescalado, que ha demostrado ser efectiva en estudios previos de fluidos de partículas alargadas, mostró resultados diferentes en nuestro caso: en algunas condiciones, el reescalado fue exitoso y los resultados coincidieron con los del modelo duro, pero en otras no se consiguió una correspondencia adecuada. En conclusión, aunque el enfoque del reescalado puede ser útil para ciertas variables o parámetros, se ha comprobado que en el caso de partículas discóticas repulsivas no es concluyente. Pueden existir otros factores, como las interacciones repulsivas o la geometría de las partículas que juegan un papel importante y sugieren la necesidad de profundizar en el estudio de estos modelos. Esto permitiría conocer mejor sus limitaciones y diferencias, y lograr así una mayor concordancia en sus diagramas de fases.

The main objective of this work has been to investigate the phase behavior of discotic particles through simulations with the Monte Carlo method in isothermalisobaric collective. The aim was to check if the behavior of a soft model with repulsive interaction could be rescaled from the results obtained from a hard model. That is, some parameters and variables have been adjusted, such as particle size, to check if a direct comparison of both models is possible. For this purpose, simulations were carried out using two types of spherocylindrical models: a hard one, the hard repulsive discotic spherocylinder model (OHSC), which has been previously studied by other authors and whose phase diagram is known; and another soft one, the soft repulsive spherocylindrical model (OSRS). In both models, it was found that the sequence of observed phases depends on the anisotropy of the particles, that is, on the difference in the geometric or physical properties of the particles depending on the direction, replicating in this case the results of previous studies. For large anisotropies, both models show the presence of a nematic phase, while for smaller anisotropies only columnar or isotropic phases are observed. Both models were compared and therefore an attempt was made to rescale the results of the soft model to the hard one, proposing that the first could be equivalent to the second if an effective anisotropy was considered. That is, although the interactions between hard and soft particles are different, since in the latter the particles can deformo r have more complex interactions than hard ones, one could achieve a tighter or more effective anisotropy for the soft model that makes that its behavior is similar or equivalent to the hard one, in this way the phase behavior of one could resemble the other, facilitating the study of its properties and its relationship with the geometric and physical parameters of the particles. This rescaling methodology, whick has been shown to be effective in previous studies of fluids with elongated particles, showed different results in our case: in some conditions, the rescaling was successful and the results coincided with those of the hard model, but in others it was not achieved a suitable correspondence. In conclusión, although the rescaling approach can be useful for certain variables or parameters, it has been proven that in the case of repulsive discotic particles it is not conclusive. There may be other factors, such as repulsive interactions or the geometry of the particles, that play an important role and suggest the need to further study these models. This would allow us to better understand their limitations and differences, and thus achieve greater agreement in their phase diagrams.