Cinética de la cristalización

Resumen

Para que un líquido se transforme en cristal se dan varias etapas. Estas son: primero metaestabilidad del líquido, segundo nucleación y finalmente crecimiento del cristal. En este trabajo se estudian fenómenos que acontecen en alguna de las tres etapas aunque el énfasis se pone en lo que refiere a la nucleación. Un líquido es metaestable cuando sus condiciones termodinámicas, dadas por la temperatura y la presión, apuntan a que la sustancia debería encontrarse en otra fase. Por ejemplo, un líquido que se enfría más allá de su temperatura de fusión será metaestable mientras no se convierta en cristal. Para que esta transición ocurra, generalmente debe producirse la nucleación. Este fenómeno consiste en la formación de una cantidad mínima de fase estable, en este caso el cristal, en el seno de una fase metaestable, que en este caso es el líquido, desencadenando así la transición. Esta cantidad mínima se conoce como núcleo crítico. Este proceso puede darse tanto en sustancias puras como en sustancias en contacto con superficies o que contienen impurezas de algún tipo. Cuando la nucleación ocurre en una sustancia pura, se denomina homogénea. En caso contrario, es heterogénea. Por lo general, el proceso suele ser heterogéneo pero dada la multitud de factores que en tal caso influyen en el mismo, la gran parte de los esfuerzos se dedican a entender primero la nucleación homogénea, ya que día de hoy aún quedan muchas incógnitas por resolver incluso en este caso de menor complejidad. El estudio de la nucleación es complicado debido a que no podemos predecir dónde ni en qué momento el núcleo crítico va a aparecer. Además los tiempos de vida media del mismo son muy cortos y su tamaño muy pequeño, típicamente del orden del nanosegundo y el nanómetro respectivamente. Por esto, estudiar nucleación experimentalmente es un reto extremadamente difícil. El estudio por simulación no está exento de dificultades pero sí permite controlar mejor algunos aspectos de la nucleación. Por ello, en este trabajo se emplea la simulación molecular acompañada de contexto teórico. En concreto, se desarrolla una técnica aproximada pero que reproduce los resultados de técnicas rigurosas que permite estudiar por largos tiempos al núcleo crítico de una fase cristalina. Esta técnica aproximada se sustenta en el fundamento de la termodinámica de interfases curvas y tiene relación con el que es a día de hoy el formalismo más extendido para entender la nucleación, es decir, la Teoría Clásica de Nucleación. Esta técnica permite estudiar en detalle una de las magnitudes clave de la nucleación como es la tensión interfacial. En particular, se estudia el efecto de la curvatura en la tensión interfacial en el contexto de la ecuación de Tolman y de la ecuación de Young-Laplace, ambas de gran relevancia. Entre los sistemas investigados se encuentran dos modelos arquetipo como la esfera dura y el Lennard-Jones y varios modelos de una sustancia vital como es el agua. En el caso del agua, dada su relevancia, se estudia la nucleación de hielo a presión negativa, la velocidad de crecimiento de hielo en función de la temperatura y las propiedades dinámicas del agua subenfriada.