Diagramas de fase cristales coloidales a través de simulaciones

Abstract

El estudio de los sistemas coloidales ha adquirido gran importancia durante los últimos años por sus numerosas aplicaciones en diversos ámbitos como la industria, la bioquímica, la medicina o la protección del medio ambiente.
Este tipo de sistemas están formados por dos fases: una fase fluida (generalmente un líquido o un gas) y una fase dispersa (partículas de tamaño reducido en cualquier estado de agregación). Se incluyen dentro de la categoría de materia blanda por su comportamiento similar en ciertos aspectos al de un líquido y en otros al de un sólido.
Además, despiertan gran interés en investigación ya que se consideran un modelo para el estudio de la estructura de la materia, las transiciones de fase tipo “líquido- cristal” o el movimiento aleatorio de partículas microscópicas en un medio fluido conocido como movimiento browniano.
A partir de estos sistemas que se pueden sintetizar de forma muy controlada, se pueden obtener cristales coloidales y cuasicristales, materiales con una estructura ordenada similar a la de los cristales sólidos.
Una de las aplicaciones más importantes de los cristales coloidales es la síntesis de cristales fotónicos, un tipo de material que posee cierta periodicidad en el índice de refracción y le confiere una serie de propiedades ópticas extraordinarias.
Debido al reducido tamaño de las partículas coloidales, entre 10-9 y 10-5 metros de diámetro, resulta complicado su estudio mediante técnicas experimentales. Por ello, las simulaciones por ordenador se han convertido en una excelente alternativa para analizar de forma teórica y numérica el comportamiento y las propiedades fisicoquímicas de este tipo de sistemas. En concreto, las simulaciones de dinámica molecular, basándose en principios de mecánica clásica, física estadística y métodos de integración numérica permiten analizar el comportamiento de un sistema complejo para grandes escalas temporales. En este trabajo, se explican las características principales de este tipo de simulaciones y se establece una metodología para su ejecución.
Además, se muestra una serie de simulaciones, realizadas con el software LAMMPS, de un sistema con un potencial repulsivo tipo shoulder en diferentes estados termodinámicos para analizar su evolución temporal y estudiar la posible aparición de orden estructural. Como resultado de estas simulaciones se obtienen trayectorias de las partículas y el valor de diferentes propiedades fisicoquímicas. Para cuantificar en cierto modo las estructuras formadas en nuestro sistema se recurre al cálculo de la función de distribución radial, el número de coordinación y algunos parámetros de orden orientacional.
Por último, para mejorar la comprensión del comportamiento de este tipo de sistemas, se utilizan diferentes herramientas de software como OVITO o Matlab para representar gráficamente los resultados de las simulaciones y poder comparar los resultados obtenidos en cada uno de los casos.