Análisis del crecimiento anisotrópico de cristales de hielo mediante simulación computacional

Abstract

En esta tesis se investigó la transición líquido-sólido de agua mediante simulación computacional, examinando la anisotropía en el crecimiento perpendicular a los planos cristalográficos basal, piramidal y prismático de hielo Ih. Se han generado métodos de análisis del crecimiento que podrían ser aplicados a sistemas más complejos que el agua, con el fin de analizar mecanismos de autoensamblaje relevantes en nanociencia y nanotecnología. Además, los métodos y programas computacionales desarrollados en este estudio han permitido identificar partículas tipo sólidas en un puente capilar de agua, tema de alto impacto en la investigaciones llevadas a cabo mediante microcopía de fuerza atómica. En particular, mediante un programa de simulación que fue diseñado y programado específicamente para esta tesis, se observó el crecimiento de hielo Ih utilizando el modelo rígido de agua TIP4P/2005 en todas las direcciones de crecimiento analizadas. Se identificaron moléculas de la interfase líquido-sólido de agua en base al orden local de las moléculas. De la posición media de estas moléculas en el tiempo se calculó la velocidad de crecimiento. Los resultados obtenidos se encuentran en el rango de 1 a 2 °A/ns para temperaturas entre 220 a 250 K, con un máximo de la velocidad de crecimiento localizado alrededor de 240 K. El orden de magnitud y tendencia de la velocidad de crecimiento con la temperatura corresponde con otras investigaciones recientes en literatura, sin embargo, las tendencias de velocidades de crecimiento para cada plano de hielo no son claras ni diferenciadoras, con lo que no fue posible caracterizar el crecimiento anisotrópico de hielo Ih mediante el coeficiente de crecimiento cinético. Por otra parte, mediante la identificación de las moléculas interfaciales la anisotropía fue identificada visualmente en las simulaciones, distinguiendo la interfase lisa (para plano basal) de la interfase rugosa (para los planos piramidal y prismático). Además, mediante la identificación de moléculas interfaciales se estimó el espesor de las interfases: entre 0.2-0.4 nm para el plano basal y 0.4 a 0.6 nm de espesor para los planos piramidal y prismático. En el caso del plano basal fue posible correlacionar claramente el mecanismo de crecimiento observado en las simulaciones con el gráfico de avance de las moléculas interfaciales; en el crecimiento perpendicular al plano basal la posición de la interfase muestra escalones en el tiempo que corresponden con la formación de capas de hielo perpendiculares a la dirección de crecimiento, en cambio, en el crecimiento perpendicular a los planos piramidal y prismáticos, la posición de al interfase muestra un avance continuo en el tiempo dado por el crecimiento de hielo en múltiples direcciones. En la literatura concerniente con microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha especulado que un puente nanométrico de agua líquida puede presentar cristalización o características de sólido. Se investigó mediante simulación computacional un puente capilar de agua líquida, incluyendo la deflexión del cantilever de AFM mediante resortes que siguen la ley de Hooke, lo cual, hasta el alcance de esta investigación, es un enfoque del que no se disponen antecedentes. El capilar fue situado entre dos placas de cobre, una de las cuales está adherida a los resortes. De las simulaciones se obtuvo la curva de fuerza capilar vs distancia para modos de separación y aproximación. La fuerza fue obtenida simplemente mediante la ley de Hooke. El capilar fue analizado construyendo perfiles de densidad, de orden local y de moléculas conectadas en base a correlación estructural. De este análisis, se identificaron zonas del capilar que presentan más conexiones con correlación estructural que el agua bulto. La zona identificada corresponde al manto externo del capilar (interfase líquido-vapor), lo que concuerda con resultados experimentales.