Estudio por simulación de transiciones de fase iniciadas por nucleación

Resumen

Este trabajo titulado. Estudio por simulación de transiciones de fase iniciadas por nucleación'' tiene como eje central el estudio del proceso de nucleación. La nucleación es el fenómeno físico por el cual una fase metaestable (por ejemplo, un líquido calentado por encima de su temperatura de ebullición) sufre un cambio de fase de primer orden y se convierte en la fase estable a las condiciones a las que se encuentra. Este proceso que estamos acostumbrados a ver en nuestra vida cotidiana (congelación de agua en el frigorífico, ebullición en la olla etc...) suele darse de manera heterogénea, es decir, la fase creciente lo hace ayudada de las impurezas o las paredes presentes en el sistema. Sin embargo, la ciencia se encuentra aún lejos de entender este proceso heterogéneo y los esfuerzos se centran en la nucleación homogénea, es decir, aquella que se da sin ayuda ni de impurezas ni de paredes y que resulta más sencilla de estudiar. El estudio de los fenómenos de nucleación de manera experimental es especialmente complejo, debido a que este proceso tiene una naturaleza estocástica, aleatoria. Esto quiere decir que no se conoce ni el momento exacto ni el lugar exacto en el que se dará. Esto sumado al hecho de que el núcleo de la fase estable que emerge en el seno de la fase metaestable tiene un tamaño de nm y un tiempo de vida de ns, hace que los estudios experimentales tengan serios problemas a la hora de estudiar este fenómeno físico. Sin embargo, los métodos computacionales se presentan como una posible solución a estos problemas. Estas técnicas permiten simular un sistema concreto en ordenadores y super-computadoras, de manera que dicho sistema está perfectamente controlado (no pueden existir impurezas ni paredes a no ser que el simulador decida introducirlas). Además, las simulaciones permiten conocer la posición de todas las partículas que se encuentran en el sistema en todo momento, lo que hace posible observar el fenómeno de la nucleación, sin limitaciones espaciales ni temporales. Sin embargo, estas técnicas no carecen de inconvenientes: por un lado, el modelo de potencial utilizado (qué se simula) puede que no sea el que mejor representa el sistema que se desea estudiar. Por otro lado, llevar al sistema a condiciones metaestables (cómo se simula) y esperar a que por sí mismo evolucione (nuclee) es en la mayoría de los casos imposible, pues el tiempo requerido para que esto ocurra sobrepasa los límites que tenemos accesibles. En este trabajo ignoraremos el primero de los problemas y no nos centraremos en el desarrollo de nuevos modelos de potencial, ya que los que utilizaremos ya son conocidos y han sido estudiados en diversas ocasiones en el pasado. Será en el segundo de los problemas donde pondremos el foco de este trabajo: desarrollar métodos alternativos a las ya conocidas técnicas rigurosas pero lentas con el fin de estudiar la nucleación de manera más rápida, accediendo a condiciones termodinámicas imposibles para las ya mencionadas técnicas rigurosas. Los objetivos} del trabajo se pueden resumir en los siguientes puntos: 1) Aplicar la ya validada técnica del Seeding a la transición sólido-líquido con el fin de verificar si el recientemente propuesto hielo 0 es el precursor de la nucleación del agua. Encontramos que el hielo 0 no es un polimorfo viable para la nucleación del agua, ni siquiera formando una capa alrededor de un núcleo de Ih.