Métodos para la exploraciòn eficiente de paisajes de energìa : Desarrollo y aplicaciones a sistemas nanométricos

Abstract

El eje central de este trabajo de tesis fue el estudio de sistemas nanometricos metálicos a través de metodologías de exploración eficiente del paisaje de energía libre, prestando mayor atención a metodologías derivadas de la Meta dinámica, en particular a la Well Tempered Meta dinámica. En el capítulo 1 se introducen las motivaciones que impulsaron el trabajo presentado, profundizando en las ventajas de las metodologías utilizadas y en los pilares de los sistemas nanométricos metálicos que los llevan a ser uno de los sistemas más estudiados en los últimos años. Estas estructuras presentan nuevas y llamativas propiedades, diferentes de aquellas encontradas en los materiales masivos, lo que las hace muy promisorias para distintas aplicaciones. El trabajo es de orden teórico-computacional, en el cual propiedades emergentes del sistema son calculadas a partir de la resolución numérica de ecuaciones elementales de la física. Para lo cual es esencial la unión de la descripción matemática de las ecuaciones de movimiento y del formalismo estadístico que permita estimar las propiedades del sistema. Tanto la mecánica clásica como la mecánica estadística son las principales herramientas que permiten alcanzar este objetivo y serán introducidas en el capítulo 2. En el capítulo 3 se presentan los elementos principales que componen las simulaciones realizadas y los detalles del programa computacional de Dinámica Molecular empleado. Si bien esta metodología permite integrar el movimiento de sistemas nanométricos, existen numerosos procesos relacionados que suceden en escalas temporales actualmente 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 especifican las características de la programación de la subrutina Meta dinámica implementada en GeMS que permitieron obtener todos los resultados presentados en los capítulos siguientes. En el capítulo 4 se re unen las optimizaciones realizadas sobre la metodología favoreciendo la reducción del tiempo requerido por las simulaciones como también de los requisitos informáticos necesarios para que sean ejecutadas. Además, diferentes pruebas de convergencias son presentadas, permitiendo dilucidar el efecto de los parámetros que modelan las funciones gaussianas del potencial historia-dependiente sobre la convergencia de la superficie de energía libre reconstruida. En el capítulo 5 se presenta un estudio sobre coalescencia de nano partículas metálicas de Coð€€€Au. En este estudio, se realizan simulaciones de Well Tempered Meta dinámica, la cual ha demostrado ser útil para comprender el fenómeno de coalescencia en términos de dos variables colectivas: la distancia entre el centro de masa de las partículas coalescentes y el radio de giro del elemento que conforma el Core de la nano partícula resultante. En este capítulo se comparan los resultados obtenidos a través de Well Tempered Meta dinámica y Dinámica Molecular, identificando las ventajas y desventajas de las metodologías. Por último, en el capítulo 6, se profundizo en la utilización de Well Tempered Metadinamica en el análisis de la coalescencia entre nano partículas variando la temperatura y la composición química de la cupla de nano partículas analizada, permitiendo resaltar su efecto sobre las configuraciones m as estables del proceso, esclareciendo el camino de formación de estas estructuras bimetálicas. Para este análisis, se calcularon curvas calóricas que ayudaron a dividir el estudio del efecto de la temperatura sobre los perfiles de energía libre conseguidos. En el capítulo se presentan estudios para cuplas compuestas por nano partículas de Co/Au y Au/Ag.