Simulación por ordenador de materia condensadanuevos modelos de agua, cálculo de propiedades y procesos de nucleación

Resumen

El agua es una de las moléculas más comunes e importantes para la vida. Es considerada el disolvente universal, ya que forma parte como medio de reacción en infinidad de reacciones químicas ysobre todo como medio en el que se desarrolla la vida.Durante muchos años se han determinado sus propiedades químico-físicas y todavía sigue siendo objeto de estudio. El agua en estado líquido presenta anomalías en las propiedades termodinámicas. Estas anomalías son más evidentes cuando disminuimos la temperatura oentramos en la región de las presiones negativas (condiciones extremas). Existe un límite experimental, vinculado a esta región, que dificulta el avance en el estudio de las propiedades anómalas del agua líquida: por un lado, cuando se subenfría el agua, ésta acaba transformandose en hielo; por el otro, a presiones negativas el agua líquida termina cavitando. Estas son las condiciones termodinamicas es donde la Simulación Molecular se hace imprescindible.En Simulación Molecular no hay esos problemas, los tiempos característicos son suficientes para caracterizar el agua líquida en condiciones de metaestabilidad. Por lo tanto obtenemos información sobre el agua metaestable en la region de condiciones extremas, siempre y cuando la simulación se realice conun modelo de agua robusto y fiable. En nuestro caso, se ha elegido el modelo de potencial de agua TIP4P/2005.Es posible simular el comportamiento de las propiedades termodinámicas anómalas del TIP4P/2005 y construir el escenario termodinámico del modelo, con el cual se interpretan las anomalías del agua. Llamamos escenario termodinámico de una sustancia al plano p-T donde se representan los puntos críticos y triple, las líneas de coexistencia entre fases y los lugares geométricos de los máximos y mínimos de las funciones respuesta que presentan anomalías en su comportamiento. El escenario termodinámico del modelo se compara con los escenarios teóricos propuestos en la literatura para poder interpretar las propiedades anómalas del agua, ya que cada uno de ellos ofrece una explicación diferente.Además el escenario del modelo se valida con datos experimentales, siendo los primeros valores experimentales de la presencia de la línea de máximos de la compresibilidad isoterma.La nucleación es el proceso estocástico de generación de embriones de la nueva fase termodinámicamente estable dentro de la fase metaestable. Este proceso es activado y viene descrito por:el máximo de la barrera de energía libre de nucleación, el tamaño del núcleo crítico y la tasa de nucleación. Las técnicas más utilizada para el estudio de la nucleación se pueden dividir en dos grupos: técnicas para procesos de nucleación espontánea y técnicas para eventos raros. Cuando la barrera de energía libre no es alta, el sistema es capaz de cruzarla y transformarse en la nueva fase: a este hecho le llamamos proceso de nucleación espontánea. La nucleación de este tipo de procesos se estudia por medio la técnica Mean First Passage Time. En el caso de los eventos raros, es decir, cuando el sistema no es capaz de cruzar la barrera de energía libre porque es demasiado alta se ha utilizado para el cálculo del máximo de la barrera el método Umbrella Sampling. En nuestra investigación hemos utilizado todas estas herramientas, MFPT y Umbrella Sampling, para estudiar la nucleación de burbujas en el agua metaestable a presiones negativas.Como modelo de potencial de agua hemos usado el TIP4P/2005, el mismo que se usa para describir el escenario termodinámico en condiciones extremas.Además se propone un modelo agua flexible que mantiene las excelentes predicciones del TIP4P/2005 aumentando los grados de libertad de la molécula.