Modelo de cristalización de polímeros

Una de las líneas de investigación del Laboratorio de Simulación de Materiales No Metálicos, integrado en el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microsistemas (ISOM) de la UPM es la Física de Materia Condensada. El Laboratorio, integrado por cuatro profesores de la ETSII y un número variable de estudiantes, está especializado en física estadística de materia condensada "blanda", sobre todo polímeros y modelos de vidrios orgánicos, en el que la infraestructura de supercomputación proporcionada desde el CeSViMa juega un papel esencial.

Sistema de 54 cadenas de esferas duras de longitud media N = 1000 durante cristalización a una densidad de empaquetamiento de 0,56. Las esferas con colores azul, rojo y verde corresponden a entorno cristalino h.c.p (hexagonal close packed), f.c.c. (face center cubic) y fivefold, respectivamente. Las de color amarillo tienen estructura local amorfa.

Recientemente, este laboratorio ha demostrado la cristalización espontánea de polímeros de esferas duras, el sistema modelo más fundamental de los polímeros amorfos. Se conjeturaba que este modelo atérmico debía ser incristalizable, debido a la disminución entrópica que acompañaría la transición vidrio—cristal. En contra de toda expectativa, los cálculos con técnicas avanzadas de Monte Carlo (MC) realizados por el grupo de simulación del ISOM han demostrado de forma concluyente que la cristalización es posible, que ocurre de forma espontánea y que va acompañada de un aumento de entropía, como corresponde a una transición de fase espontánea.

El desarrollo de una combinación de algoritmos de Monte Carlo especializados que permiten un muestreo del espacio configuracional varios órdenes de magnitud más rápido que por medio de MC o de dinámica molecular tradicionales. Así y todo, el tiempo de simulación (wall-clock time) para sistemas de un tamaño representativo, incluso en máquinas paralelas de potencia respetable, es del orden de varios meses.

En un paso posterior a la simulación se emplean descriptores robustos para identificar la estructura local y su semejanza con fases cristalinas densas. Este procedimiento también revela el papel esencial de la visualización como una herramienta de análisis de gran valor en las simulaciones.

También se han establecido colaboraciones internacionales para aplicar la metodología de modelización propuesta para sistemas de materiales basados en polímeros de mayor complejidad química.

Publicaciones recientes relevantes [1-4]: