Autoensamblaje de materia programable con dinámica molecular de potenciales discontinuos - Gutiérrez Romero, Anthony Bryan (Universidad Autónoma Metropolitana, 2017)
El autoensamblaje de nanoestructuras es un tema que tiene grandes aplicaciones en las áreas de la ciencia de los materiales y la nanotecnología. El entendimiento de las características generales de este tema es algo deseado en estas áreas pero actualmente estamos muy lejos de poder alcanzarlo. Una de las aplicaciones más prometedoras, una vez obtenido cierto nivel de comprensión del fenómeno del autoensamblaje, será el diseño a la medida de materia programable. La materia programable consiste en una serie de procesos a partir de los cuales un sistema constituido de partículas microscópicas, por medio de un estímulo, obtienen un potencial de interacción. El fin de la materia programable es utilizar esta nueva interacción “programada” para crear nanoestructuras. Debido a la complejidad del fenómeno, hay varias estrategias con las cuales se ha propuesto analizar el autoensamblaje.[1][2] Una de las maneras más adecuadas de representar los estados que puede presentar una sustancia en equilibrio es por medio de su diagrama de fase. Un diagrama de fase es una gráfica donde se muestran las fases que presenta una sustancia bajo ciertos valores termodinámicos, los cuales suelen ser principalmente la presión, la temperatura y el volumen (o la densidad). Un diagrama de fase demuestra si una sustancia en equilibrio tiene la existencia de estados con una fase, con una coexistencia de fases, en un punto crítico o en un punto triple, y las regiones termodinámicas donde estos estados se encuentran. La regla de las fases de Gibbs se puede usar en estos casos para tener una idea de como serán representada una fase o la coexistencia de fases en un diagrama. Para un sistema sin especies reactivas, esta regla se expresa con la fórmula F = C - P + 2, donde F son las variables termodinámicas intensivas, C es el número de especies moleculares en el sistema, y F es el número de fases en equilibrio. Los estados que una sustancia pura puede tener son muy diversos, dependiendo principalmente de la composición de la sustancias y de sus fuerzas intermoleculares. En la materia orgánica, principalmente, se puede tener obtener las fases vapor, líquida, cristalina, sólida y, en algunos casos, mesofases. Las mesofases son estados de la materia que son un intermedio entre los estados líquido y sólido. Otra forma de llamar a la mesofase es como fase de “cristal líquido”. La propiedad más importante de este estado es que sus moléculas tienen un orden orientacional de largo alcance. Para que esto sea posible las moléculas deben ser anisotrópicas, ya sea en forma de rodillo o en forma de discos. La metodología que fue usada para realizar este trabajo consiste en explorar, por medio de simulaciones de dinámica molecular de potenciales discontinuos, modelos de nanocubos formados 1 con esferas con potenciales de tipo pozo cuadrado. Los modelos tienen como variables su aspecto dimensional, y en algunos casos especiales su alcance del potencial. Por medio de la información obtenida con las simulaciones moleculares se realizó un bosquejo del diagrama de fases de estos modelos a densidades cercanas a la densidad crítica. Los modelos se clasificaron respecto a las longitudes de sus 3 lados ortogonales: a, b y c (figura 1). La razón de aspecto se definirá de la siguiente manera: r = c/a. Figura 1: Modelo con dimensiones a = b = c = 2. En los resultados obtenidos se obtuvo la coexistencia de fases líquido-vapor para los modelos con r = 1, a excepción del caso de dimensiones a = b = c = 3 y un alcance de potencial relativamente corto. Así también, todos los modelos r = 1 simulados presentaron una fase cristalina. No se observó una coexistencia de fases líquido-vapor en todos los modelos que tienen con las siguientes formas: razón de aspecto r > 1 y 1 = b/a = 1.5. Finalmente, se observaron mesofases en los modelos moleculares con valores r = 4 y b = 2a.