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Departamento de Ciencias y Técnicas Fisicoquímicas

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Simulación de Polímeros

Juan J. Freire

Descripción básica:

Los métodos de simulación numérica en ordenador pueden ser útiles para determinados objetivos:
  1. cuando no existen teorías adecuadas para describir un determinado fenómeno,
  2. cuando las teorías presentan una serie de aproximaciones cuya validez es difícil de determinar,
  3. cuando los fenómenos no son accesibles experimentalmente.

Todos estos casos son muy comunes en el caso de moléculas de gran complejidad como los polímeros, particularmente en el estudio de sus propiedades conformacionales, que requieren complicadas técnicas teóricas de tipo mecano-estadístico. Las simulaciones están siempre condicionadas por el modelo del sistema que se escoge. Así, si se pretende comparar con una teoría determinada el modelo debe sustentarse en las mismas bases. En el caso de simulaciones moleculares de polímeros pueden realizarse simulaciones con modelos que detallan la estructura a nivel atómico o modelos simplificados. Estos últimos pueden llegar a representar la cadena macromolecular mediante una serie de eslabones ideales en los que la descripción atómica se ha perdido completamente. Este último tipo de simulaciones se denominan como mesoscópicas. En el caso de los modelos atómicos, sin embargo, es posible realizar simulaciones detalladas que reciben el nombre de dinámica molecular. En ellas, se utilizan las ecuaciones clásicas del movimiento de los átomos, partiendo de unas coordenadas iniciales y una distribución de equilibrio de velocidades. Estas ecuaciones se resuelven de manera recursiva, a través de una serie de pasos que dan lugar a una trayectoria de coordenadas en función del tiempo. Se eligen pasos suficientemente cortos, para que la resolución de las ecuaciones pueda realizarse suponiendo fuerzas constantes. El tiempo de paso debe ser del orden de los femtosegundos, obteniéndose las propiedades de interés mediante el cálculo de millones de pasos sucesivos.

Problemas abordados (Dinámica Molecular):

  1. Propiedades conformacionales y fotofísicas del polimetilfenilsiloxano.

Mediante dinámica molecular se ha hecho un detallado estudio conformacional de este tipo de polímeros. La conclusión principal es que, al tender los anillos aromáticos de grupos consecutivos a colocarse con orientaciones apropiadas de mínima energía, estas disposiciones condiciona todas las propiedades conformacionales (mínimos de energía etc.) de manera decisiva, por lo que los modelos habituales para la descripción de estas propiedades (modelo de isómeros rotacionales, etc.) no son de utilidad en este caso, y sólo cabe referirse a los resultados de la simulación.

  1. Polivinilmetiléter y sus copolímeros dibloque con polimetacrilato de metilo y poliestireno.

La optimización de los parámetros de dinámica molecular ha permitido reproducir adecuadamente el tamaño de estas moléculas. Se han estudiado los efectos de segregación de los dos dibloques en cada caso, caracterizada por una serie de propiedades estructurales. Se pretende relacionar el grado de segregación con el fenómeno de la incompatibilidad o compatibilidad de las mezclas correspondientes a cada caso concreto.

Sistemas mesoscópicos:

Se han estudiado diversas propiedades de equilibrio, transporte y dinámicas de polímeros lineales, ramificados (principalmente en forma de estrella) y copolímeros dibloque mediante otras técnicas de simulación útiles para sistemas mesoscópicos (Monte Carlo, dinámica de Brown). Esta investigación se ha realizado preferentemente en los laboratorios de la Universidad Complutense de Madrid, ver:

http://oboe.quim.ucm.es