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 Universidad Politécnica de Madrid (UPM) es la física de materia condensada. El laboratorio, integrado por cuatro profesores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales 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 Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid (Cesvima) juega un papel esencial.

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 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
N. C. KARAYIANNIS, K. FOTEINOPOULOU AND M. LASO. “Twinning of Polymer Crystals Suppressed by Entropy”. Symmetry 2014, 6, 758-780.

K. FOTEINOPOULOU, N. C. KARAYIANNIS, M. LASO. “Monte Carlo simulations of densely-packed athermal polymers in the bulk and under confinement”. Chemical Engineering Science 2015, 121, 118-132. Artículo elegido en la lista hot papers 2015 de Soft Matter.

3. N. C. KARAYIANNIS, K. FOTEINOPOULOU , M. LASO:. “The role of bond tangency and bond gap in hard sphere crystallization of chains. Soft Matter 2015, 11, 1688-1700.

4. H. T. NGUYEN, T. B. SMITH, R. S. HOY AND N. C. KARAYIANNIS. “Effect of chain stiffness on the competition between crystallization and glass-formation in model unentangled polymers”. The Journal of Chemical Physics 2015, Volume 143, Number 14, 144901. Artículo elegido como featured article por The Journal of Chemical Physics.

Imagen: 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.