SIMULACIÓN A DIFERENTES ESCALAS DE PROCESOS DE NO-EQUILIBRIO EN SISTEMAS POLIMÉRICOS

Autor: RAMÍREZ GARCÍA JORGE
Año: 2001
Universidad: POLITECNICA DE MADRID
Centro de realización: ETSI INDUSTRIALES
Centro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALES
Director: LASO CARBAJO MANUEL
Tribunal: RAMOS CARPIO MIGUEL ÁNGEL , ALEMÁN LLANOS CARLOS , GAGO BADENAS FEDERICO , SAIZ GARCÍA ENRIQUE , GALÁN CASADO SANTOS
Resumen de la tesis

Este trabajo se concentra en la realización de experimetnos en ordenador cuyo objetivo es la predicción del comportamiento de sistemas poliméricos sometidos a condiciones lejos del equilibrio termodinámico. Las "diferentes escalas" hacen referencia a los diferentes niveles de descripción desde los que se puede hacer frente a un problema determinado de dinámica de polímeros. Debido a su compleja microestructura y el elevado número de grados de libertad internos, los polímeros presentan fenómenos dinámicos en un rango muy amplio de escalas de longitud (desde A hasta m) y aún mayor de tiempo (desde fs hasta horas). Las técnicas de simulación existentes se pueden clasificar según su rango de aplicación en cálculos cuánticos, atomísticos, mesoscópicos y macroscópicos. En las macromoléculas, algo esencial ocurre en cada escala, y muchos comportamientos observables en la escala ingenieril son el resultado de un fenómeno a una escala mucho menor. Por eso es esencial un diseño jerárquico que conecte las diferentes técnicas existentes en los diferentes niveles, e incorpore en cada uno información obtenida en el nivel inmediatamente inferior, para poder predecir comportamientos macroscópicos a partir de la información molecular. En este trabajo se introducen dos aplicaciones concretas, en dos campos completamente independientes, y que muestran que es posible y necesario un diseño jerárquico de materiales para obtener una comprensión mejor del comportamiento mostrado por los plásticos en los experimentos y en las aplicaciones, y poder así predecir los resultados. ANÁLISIS DE EVENTOS INFRECUENTES Muchos procesos dinámicos que tienen lugar en los polímeros se producen como una sucesión de eventos infrecuentes, en los que el sistema es conducido desde una región A favorable del espacio de configuración a otra B, a través de una barrera en la energía libre (estado de transición). Cuando ésta es alta con respecto a la energía térmico promedio kBT de las partículas del sistema, estos procesos son infrecuentes, y al mismo tiempo tienen muy poca duración. Existen dos tipos de métodos para determinar estados de transición y caminos de reacción. 1,- Métodos de barrera, en los que se busca el punto de silla y se traza el camino que lleva desde éste a los estados mínimos A y B asociados al mismo. 2,- Métodos de caminos, en los que se parte de un par de mínimos locales A y B y se busca el camino que los une en el espacio de configuración. Recientemente se ha presentado un método de camino eficiente: Transition Path Sampling. El método se ha probado en un sistema clásico de reacción de primer orden: Las transiciones conformaciones trans-gauche en el n-butano líquido puro. Se han presentado resultados de la constante de velocidad k en buen acuerdo con los resultados de simulaciones tradicionales (dinámica molecular, MD) y se han mostrado características de las moléculas en el estado de transición. PROYECCIÓN DE UNA CADENA ATOMÍSTICA A SU CAMINO DE REPTACIÓN De entre todos los Modelos Moleculares desarrollados dentro de la teoría cinética, uno de los de más éxito es el que se basa en el concepto de la reptación. En el trabajo realizado, se presenta un operador que permite obtener una representación aproximada del camino primitivo (primitive path, PP) de un polímero lineal a partir de las coordenadas de los átomos de su cadena principal. El algoritmo se puede utilizar en tres tipos diferentes de aplicaciones: 1,- Para proyectar trayectorias MD atomísticas de cadenas detalladas en sus PP y estudiar la evolución de los PP. 2,- Para obtener las ecuaciones de evolución de las variables del modelo de reptación utilizando las técnicas de los operadores de proyección y de GENERIC atomístico. 3,- Para realziar simulaciones atomísticas de Monte Carlo en una colectividad canónica extendida, en las que el sistema se somete a una perturbación macroscópica de flujo.
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