Sedimentación de disoluciones coloidales

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2024/25). Director: Dr. Luis González MacDowell. La sedimentación de disoluciones coloidales es un fenómeno fundamental que conecta conceptos de física de materia blanda con aplicaciones científicas e industriales. Este trabajo aborda el estudio de los coloides, su comportamiento bajo la influencia de la gravedad y su análisis mediante simulaciones moleculares, con énfasis en modelos de esferas blandas como sistemas ideales para entender transiciones de fase y comportamientos estructurales. Los coloides son mezclas heterogéneas donde partículas microscópicas permanecen suspendidas en un medio continuo. Estas partículas son mucho mayores que los átomos o moléculas (típicamente entre 1 nanómetro y 1 micrómetro), lo que hace que, a diferencia de los componentes atómicos, su masa sea suficiente para que la gravedad tenga un efecto apreciable sobre ellas. Interactúan mediante fuerzas suaves, como la exclusión de volumen, que gobierna su organización y comportamiento. Fenómenos como el movimiento browniano y las fuerzas electrostáticas influyen en la formación de agregados y fases cristalinas, claves en la fabricación de nanomateriales. Comprender la sedimentación de estas partículas bajo la gravedad y su redistribución en el tiempo es esencial en múltiples campos, incluyendo alimentos, medicamentos y materiales avanzados. Es evidente por tanto que los coloides tienen interés tecnológico, y además tienen un interés científico muy grande. Algunos investigadores observaron que hay coloides que presentan nada más que interacciones repulsivas de muy corto alcance (en relación con su tamaño). Es por eso por lo que los coloides han atraído la atención de la comunidad de física molecular. Los coloides sirven de modelo de esferas duras y presentan la ventaja de que su comportamiento se puede estudiar mediante simple microscopía óptica. Las esferas duras se consideran un modelo ideal debido a su simplicidad y capacidad de replicar fenómenos observados en sistemas reales. Sus transiciones de fase, impulsadas únicamente por la entropía, ofrecen un puente entre experimentos y simulaciones teóricas. Estudios pioneros de Pusey y Van Megen han demostrado que suspensiones coloidales ajustadas adecuadamente imitan el comportamiento de estas esferas, permitiendo validar y refinar modelos computacionales. Para estudiar este tipo de sistemas mediante simulaciones, resulta necesario emplear potenciales que reproduzcan adecuadamente la repulsión entre partículas. En este contexto, el modelo de potencial truncado de Weeks-Chandler-Andersen (WCA) es especialmente útil, ya que presenta un comportamiento similar al de las esferas duras, pero con la ventaja de ser un potencial continuo y derivable, lo que facilita su implementación en simulaciones de Dinámica Molecular. Utilizando un software como LAMMPS, los procesos de sedimentación, agregación y transición de fases son analizados a través de técnicas como el cálculo del tensor de presiones (Método de Kirkwood) y densidades promedio. Estas simulaciones permiten explorar comportamientos complejos y validar teorías fundamentales sobre interacción y estructura coloidal. La simulación realizada parte de una configuración inicial sólida. Se estudian distintas condiciones para obtener las fases sólida y líquida, y posteriormente se introduce un campo gravitatorio para analizar su coexistencia, así como los fenómenos de sedimentación y redistribución de partículas. Este enfoque integral demuestra cómo la simulación molecular puede ayudar al cálculo de las propiedades de sistemas coloidales, abriendo puertas a aplicaciones prácticas en investigación científica e innovación tecnológica. La sedimentación y las transiciones de fase en estos compuestos proporcionan conocimientos fundamentales para optimizar procesos industriales y avanzar en la comprensión de la materia blanda.

Sedimentation of colloidal solutions is a fundamental phenomenon that bridges concepts from soft matter physics with scientific and industrial applications. This work focuses on the study of colloids, their behavior under the influence of gravity, and their analysis through molecular simulations, with an emphasis on soft-sphere models as ideal systems for understanding phase transitions and structural behaviors. Colloids are heterogeneous mixtures where microscopic particles remain suspended in a continuous medium. These particles are much larger than atoms or molecules (typically between 1 nanometer and 1 micrometer), which means that, unlike atomic components, their mass is sufficient for gravity to have a noticeable effect on them. They interact through soft forces, such as volume exclusion, which govern their organization and behavior. Phenomena like Brownian motion and electrostatic forces influence the formation of aggregates and crystalline phases, which are key in the development of nanomaterials. Understanding the sedimentation of these particles under gravity and their redistribution over time is essential in many fields, including food, pharmaceuticals, and advanced materials. It is therefore clear that colloids are of technological interest, and they also hold great scientific relevance. Some researchers have observed that there are colloids which exhibit only very short-range repulsive interactions (relative to their size). This is why colloids have attracted the attention of the molecular physics community. Colloids serve as models of hard spheres and have the advantage that their behavior can be studied using simple optical microscopy. Hard spheres are considered an ideal model due to their simplicity and their ability to replicate phenomena observed in real systems. Their phase transitions, driven solely by entropy, provide a bridge between experiments and theoretical simulations. Pioneering studies by Pusey and Van Megen have shown that well-tuned colloidal suspensions can mimic the behavior of hard spheres, allowing the validation and refinement of computational models. To study these types of systems through simulations, it is necessary to use potentials that accurately reproduce the repulsion between particles. In this context, the truncated Weeks-Chandler-Andersen (WCA) potential is particularly useful, as it exhibits behavior similar to that of hard spheres, but with the advantage of being continuous and differentiable potential, which facilitates its implementation in Molecular Dynamics simulations. Using software such as LAMMPS, sedimentation, aggregation, and phase transition processes are analyzed through techniques such as the calculation of the pressure tensor (Kirkwood method) and average densities. These simulations allow researchers to explore complex behaviors and validate fundamental theories on colloidal interaction and structure. The simulation starts from a solid-phase configuration. Different conditions are studied to obtain the solid and liquid phases, and later a gravitational field is introduced to analyze their coexistence, as well as the phenomena of sedimentation and particle redistribution. This comprehensive approach demonstrates how molecular simulation can aid in calculating the properties of colloidal systems, opening doors to practical applications in scientific research and technological innovation. Sedimentation and phase transitions in these compounds provide fundamental insights for optimizing industrial processes and advancing the understanding of soft matter.