Simulación de fenómenos en la nanoescala mediante diferentes métodos computacionales

• Autores: Paz, Sergio Alexis
• Año de publicación: 2013
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Leiva, Ezequiel Pedro Marcos; Ferreyra, Nancy Fabiana; Baumgartner, María Teresa; Mariscal, Marcelo M.
• Materia: Simulación por computador; Nanoestructuras; Nanopartículas
• Institución: Universidad Nacional de Córdoba

Tesis (Doctor en Ciencias Químicas)--Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2013.
Fil: Paz, Sergio Alexis. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Departamento de Química Teórica y Computacional; Argentina.
Fil: Paz, Sergio Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica de Córdoba; Argentina.
En la presente tesis doctoral se estudian diferentes sistemas nanoestructurados a través de simulaciones computacionales, como así también se desarrollan las herramientas y metodologías necesarias para ello. El trabajo es de orden teórico-computacional, y la hipótesis fundamental consiste en la posibilidad de predecir las propiedades y comportamientos de estos sistemas a partir de la resolución numérica de ecuaciones fundamentales de la física. Por una parte, esto implica la existencia de una descripción adecuada de la evolución del sistema y por otro la de un formalismo estadístico que conecte esta descripción con aquellas propiedades dinámicas o termodinámicas que se desean predecir. La mecánica clásica y la mecánica estadística son las principales herramientas que permiten alcanzar este objetivo y serán introducidas en el capítulo 1. En el capítulo 2 se presentan los elementos principales que componen las simulaciones realizadas y los detalles del programa computacional empleado. Este último es un desarrollo propio, concebido como un espacio de trabajo que permite aprovechar las aplicaciones previamente incorporadas en la expansión e integración de nuevas funcionalidades. Para orientarse en esta dirección se tuvo un especial cuidado en su diseño, haciendo énfasis en las características del lenguaje de programación que permiten una reducción progresiva del esfuerzo involucrado en su crecimiento. El programa permitió obtener todos los resultados presentados y reúne todas las metodologías y herramientas implementadas, permitiendo incluso combinarlas en formas todavía no exploradas. Si bien la dinámica molecular permite integrar el movimiento de sistemas nanométricos, existen numerosos procesos relacionados que suceden en escalas temporales actualmenté inaccesibles. La limitación es intrínseca a las ecuaciones de movimiento y se requieren nuevas metodologías y niveles de teoría para poder superarla. Por este motivo, en el capítulo 3 se introducen diferentes aproximaciones teóricas que permiten describir la evolución en escalas temporales superiores a aquellas asociadas con el movimiento mecánico detallado. En este capítulo nos centramos en la hiperdinámica como una propuesta fundamental que permite alcanzar a priori cualquier escala temporal deseada. En el capítulo 4 se presenta un estudio sobre la colisión/coalescencia de nanopartículas metálicas. Estas estructuras presentan nuevas y llamativas propiedades, diferentes de aquellas encontradas en los materiales masivos, lo que las hace muy promisorias para distintas aplicaciones y por ello son objeto de estudio de numerosos grupos de investigación en el mundo. Previamente, han sido propuestas las colisiones o coalescencias de nanopartículas de diferentes materiales como un método de síntesis para obtener nanopartículas bimetálicas. Estos procesos se distinguen en base a la velocidad de impacto involucrada, siendo ésta en la coalescencia mucho menor que en la colisión. Ambos procesos se encuentran fuera del equilibrio y sobre el final del capítulo se plantea un nuevo esquema para el estudio computacional en estas condiciones. En el capítulo 5 se implementa la hiperdinámica junto con diferentes técnicas de modelado y simulación para estudiar el comportamiento y conductividad de nanojunturas moleculares. En particular, se analizó una molécula de octanoditiol confinada entre una punta metálica de Au y diferentes sustratos del mismo material. Este sistema es uno de los más estudiados en el campo de la electrónica molecular. Por primera vez, se emplea un esquema de dinámica acelerada para explorar el espacio de configuraciones de la molécula en cuestión. Los resultados encontrados ponen de manifiesto un comportamiento complejo que permite plantear nuevas hipótesis de trabajo para investigaciones futuras en el área de la electrónica molecular. La contribución realizada es una consecuencia directa del esquema de aceleración empleado, lo que lleva a considerar la importancia para la química computacional del desarrollo de este tipo de metodologías. Finalmente, en el capítulo 6 proponemos una nueva metodología que intenta mejorar la implementación original de la hiperdinámica al incluirla dentro de un esquema de regulación automática basado en las características energéticas del sistema. La idea fundamental consiste en realizar una simulación de dinámica molecular convencional durante la cual se activa la hiperdinámica sólo cuando las condiciones adecuadas para su funcionamiento son alcanzadas y se desactiva cuando estas condiciones se pierden como resultado de la evolución natural del sistema. Los parámetros necesarios para el funcionamiento de la hiperdinámica se definen al momento de su activación y se ajustan a la situación particular en la cual el sistema se encuentre. El costo computacional adicional necesario es despreciable frente a una simulación de dinámica molecular convencional y los únicos parámetros requeridos para su funcionamiento se refieren al factor de aceleración deseado. El método se somete a prueba para la coalescencia de nanopartículas evidenciando un buen acuerdo con el comportamiento esperado. El estudio exhaustivo de sus fortalezas, debilidades y limitaciones constituye una de los principales emergentes de la presente tesis doctoral.
Fil: Paz, Sergio Alexis. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Departamento de Química Teórica y Computacional; Argentina.
Fil: Paz, Sergio Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica de Córdoba; Argentina.