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Toledano Sanz, Óscar

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Toledano Sanz
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    Formación y propiedades de equilibrio de las monocapas de Langmuir
    (Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Escuela Internacional de Doctorado. Programa de Doctorado en Ciencias, 2022) Toledano Sanz, Óscar; Gálvez González, Óscar
    La presente tesis tiene como objeto principal de estudio los procesos de formacion de las distintas fases de las monocapas de Langmuir, as como sus propiedades de equilibrio. Estos sistemas bidimensionales (2D) que se forman en la interfase entre un medio polar y otro apolar han sido objeto de numerosas investigaciones, tanto experimentales como teoricas, a lo largo de los ultimos 40 a~nos. A partir de las distintas observaciones experimentales se ha llegado a denir el diagrama de fases de varios tipos de monocapas de Langmuir, as como medir muchas de sus propiedades reologicas, termodinamicas y estructurales. A pesar de ello, todava sigue sin conocerse de manera precisa cuales son los procesos que provocan la aparicion de estas distintas fases, y en algunos casos siguen sin haberse concretado de manera concluyente sus estructuras a nivel molecular. Esto es debido en parte a que son pocas las simulaciones que se han realizado para caracterizar las monocapas de Langmuir, y su numero es mucho mas reducido si tenemos en cuenta solo aquellas que utilizan metodos puramente cuanticos. Este tipo de analisis teoricos puede ayudar a entender como son las interacciones a escala molecular (nanoescala) y que repercusiones pueden tener estas interacciones cuando son trasladadas a sistemas termodinamicos (mesoescala), obteniendo un conocimiento mas profundo de los mecanismos subyacentes a la formacion de las monocapas y sus propiedades de equilibrio, y complementando as la informacion obtenida a partir de los estudios experimentales. En esta tesis se abordara dicho estudio desde dos enfoques distintos y complementarios: por un lado se trataran de comprender las caractersticas de las interacciones intra e intermoleculares establecidas en la formacion de las monocapas y de las estructuras de equilibrio resultantes a un nivel atomstico, y por otro lado se estudiara el comportamiento colectivo de las moleculas desde un punto de vista termodinamico. Para llevar a cabo el analisis de estos sistemas a nivel molecular, se utilizara la Teora de los Funcionales de la Densidad (DFT por sus siglas en ingles), la cual es capaz de reproducir la estructura electronica de un sistema de atomos. Las simulaciones realizadas mediante esta teora nos permiten caracterizar los sistemas estudiados desde un enfoque cuantico, donde el funcional de la energa electronica se minimiza con respecto a la distribucion de densidad electronica (en un proceso alternativo a la resolucion de la ecuacion de Schr odinger), empleando para ello ciertas aproximaciones. A partir de los resultados obtenidos en estos calculos, podremos comprender la naturaleza de la interaccion que se da entre las moleculas anflicas que componen las monocapas de Langmuir, as como obtener diversas estructuras de equilibrio correspondientes a las distintas condiciones de concentracion o a los distintos tipos de moleculas anflicas que puedan estar presentes en la monocapa. De forma paralela se han realizado simulaciones de tipo Metropolis Monte Carlo (MMC), mediante las 4 cuales podemos obtener informacion sobre el comportamiento colectivo de partculas interactuantes en sistemas bidimensionales o quasi-bidimensionales, como son las monocapas de Langmuir. En estas simulaciones, se observara como los valores que toman las distintas variables termodinamicas, as como el tipo de potencial de interaccion entre las partculas que lo componen, in uiran en el mecanismo de transicion de fase entre la fase solida y la lquida isotropa. En estas transiciones de fase, la creacion y destruccion de defectos juega un papel fundamental, como demuestran las distintas teoras existentes sobre las transiciones de fase en sistemas bidimensionales, y por ello se ha analizado la concentracion de defectos y su papel en estas transiciones. Tambien se estudiara el efecto de la interaccion con los primeros y segundos vecinos en estas transiciones en funcion de las condiciones termodinamicas presentes en el sistema y del potencial de interaccion entre las partculas. En estos calculos se han empleado potenciales de interaccion simples con simetra circular, como el de Morse o Lennard- Jones, para estudiar el comportamiento de sistemas con partculas isotropas (sin orientacion). Cabe destacar que a pesar de la existencia de varias teoras que tratan de explicar la naturaleza de la fusion en sistemas 2D, aun no existe consenso en torno a la validez de unas u otras. Por ultimo, hemos dise~nado una simulacion de tipo MMC en la que las partculas interaccionen a traves de un potencial anisotropo, denido a partir de las energas de interaccion obtenidas en las simulaciones DFT para las moleculas anflicas. A partir de la informacion obtenida sobre la interaccion a un nivel atomico, podremos simular la formacion de la monocapa a una escala que incluya decenas de miles de moleculas, jando para ello las condiciones termodinamicas a valores representativos. De esta forma, podremos deducir cual sera el efecto de la temperatura y la presion en la formacion de las distintas fases obtenidas en estas simulaciones, y comparar estos resultados con los datos experimentales existentes. Igualmente podremos comparar los resultados de estas simulaciones con los obtenidos a partir de potenciales estandar con simetra circular para discernir el efecto de la anisotropa de las moleculas en la formacion de las distintas fases de la monocapa. El presente estudio es el primer paso de un proyecto a largo plazo, en el cual se pretenden realizar simulaciones de tipo Monte Carlo que incluyan todos los parametros de interaccion obtenidos en los analisis DFT e incluso extrapolarlo a simulaciones de Dinamica Molecular. Mediante la Dinamica Molecular podremos obtener informacion mas completa sobre el comportamiento dinamico (incluyendo propiedades como la viscoelasticidad y la difusividad) y de los procesos de formacion de las monocapas, los cuales se dan fuera del equilibrio termodinamico.