Las técnicas de simulación  de Monte Carlo y dinámica molecular han resultado enormemente útiles para mejorar nuestra comprensión del comportamiento de fluidos, mesofases y sólidos. 

El hecho de que proporcionan resultados en principio exactos para el potencial considerado ha permitido, de un lado, comprobar las limitaciones de dicho modelo de potencial y asimismo comprobar la calidad de las predicciones teóricas (realizadas habitualmente mediante ecuaciones integrales, teorías de perturbaciones o teoría de funcionales de la densidad). En los últimos años el interés en el estudio de sistemas no homogéneos (aquellos en los cuales la densidad no es uniforme sino que varía en el espacio) ha experimentado un notable aumento. 

Este interés está en parte relacionado con el creciente estudio del comportamiento de la materia cuando se encuentra confinada en regiones de dimensiones nanométricas. Dado que es difícil caracterizar experimentalmente el ordenamiento de la materia cuando se sitúa en regiones de tamaño entre en nanómetro y la micra, la simulación y el modelado molecular (entendido este último como la formulación de un potencial aproximado para la interacción entre moléculas y la determinación teórica / computacional de sus propiedades) pueden resultar enormemente útiles para mejorar nuestra comprensión del comportamiento de la materia confinada.

Este Programa se propone estudiar mediante simulación y modelado varios problemas relevantes en sistemas no homogéneos. En particular, se pretende modelar y simular la adsorción de moléculas sobre materiales adsorbentes, con poros de geometría y tamaño

Se estudiará el comportamiento de dos tipos de moléculas, de gran interés tecnológico/biológico, en condiciones de confinamiento: por un lado, la molécula de agua y, por otro, moléculas capaces de formar fases de cristal líquido. Por último, se pretenden estudiar asimismo sistemas coloidales, para los cuales los efectos de interfase y no homogeneidad juegan un papel fundamental en cuanto que determinan las interacciones entre las partículas. En particular, se estudiará el equilibrio líquido-sólido tanto de sistemas-modelo sencillos para coloides, como de modelos realistas de moléculas.

Aunque las simulaciones clásicas resultan adecuadas para describir un buen número de sistemas, resulta cada vez más evidente que las simulaciones deben incorporar elementos cuánticos si pretenden abordar algunos problemas: por ejemplo, el cambio que experimenta la nube electrónica de las moléculas en función de su entorno (absolutamente imprescindible para entender la catálisis), y el comportamiento de moléculas ligeras , como puede ser el caso de una molécula aparentemente tan sencilla e importante como el agua. 

En este Programa se incorporarán elementos cuánticos a las simulaciones de materia condensada. En concreto, se pretende aplicar la técnica del path integral a varios tipos de moléculas, y en particular a la molécula del agua, con especial atención al estudio de los efectos cuánticos sobre el diagrama de fases.

Por último, se mostrará el potencial de las técnicas de modelado y simulación mediante aplicaciones concretas a problemas muy diferentes pero de interés tecnológico directo, en colaboración con grupos pertenecientes a empresas asociadas al Programa. Por un lado se hará un estudio de los riesgos de colisión debidos a la basura espacial mediante la simulación de trayectorias y, por otro, se modelarán y simularán las propiedades termodinámicas y de transporte de mezclas de hidrocarburos y polímeros de interés tecnológico.

Palabras clave: Monte Carlo, dinámica molecular, path integral, ecuaciones integrales, teoría de funcionales de la densidad, sistemas no homogéneos, cristales líquidos confinados, agua, agua confinada, adsorción, zeolitas, gel de sílice, efectos cuánticos, equilibrio líquido-sólido, coloides, medios porosos, polidispersidad, simulación de trayectorias, basura espacial, mezclas de hidrocarburos, polímeros.

Adquisición y puesta a punto de un cluster de ordenadores, funcionando bajo Linux, con compiladores de Fortran y C, y con protocolos de paralelismo implementados (OpenMP y MPI). 

Adquisición y puesta a punto de ordenadores para cada uno de los grupos integrantes. Creación de una red de ordenadores entre todos los grupos y entre éstos y el cluster. Paralelización  de los programas de simulación de los grupos. Desarrollo de nuevas simulaciones como consecuencia del Programa. Medida de isotermas de adsorción, volumétricas y calorimétricas, con distintos sistemas adsorbato/adsorbente.

Mencionaremos a continuación los grupos implicados en la consecución de los objetivos descritos anteriormente:

A.1 Determinación experimental de isotermas de adsorción de diversas moléculas sencillas e hidrocarburos sobre zeolitas, gel de sílice y otros adsorbentes (grupo CSICQFIFE).

A.2 Descripción teórica de las isotermas de adsorción de estas moléculas utilizando ecuaciones integrales y simulación por Monte Carlo en el colectivo gran canónico (grupos CSICQFIFE, CSICQFT, UCM y UC3M).

A.3 Estudio de formación de mesofases en poros de geometría definida (entre paredes planas). Se utilizarán simulaciones de Monte Carlo y teoría de funcionales de la densidad para la descripción de las posibles transiciones de fases de cristales líquidos en condiciones de confinamiento (grupos UAM, CSICICMM y UC3M).

A.4 Estudio de transiciones de fase de agua en nanoporos de carbono y bajo condiciones de confinamiento, con especial énfasis en el equilibrio líquido-sólido tanto en poros de geometría bien definida, como en medios desordenados que emulen el entorno del agua en el interior del medio celular (grupo UCM).

A.5 Estudio de la interfase líquido-vapor de un sistema-modelo con interacciones simples, con vistas al estudio de la aparición de estructura no monótona en la interfase, y del efecto de las ondas capilares en esta estructura. Análisis de la definición de estructura intrínseca de la interfase y su correlación con las medidas experimentales (grupos UAM y CSICICMM).

A.6 Estudio del confinamiento en medios porosos a través del modelado de estos últimos mediante un potencial aleatorio empleando técnicas del funcional de la densidad y simulaciones (UC3M, UAM, CSICQFT y CSICQFIFE).

A.7 Modelización y análisis, mediante técnicas teóricas y de simulación por ordenador, de las estructuras biológicas y de sus procesos de autoensamblamiento en distintos ambientes y condiciones (UAM).

B.1 Determinación por simulación del equilibrio sólido-líquido de sistemas clásicos que interaccionan mediante modelos de potencial sencillo que puedan describir de manera cualitativa el comportamiento de partículas coloidales (grupos CSICQFT, UAM, CSICICMM).

B.2 Determinación por simulación cuántica (path integral) del equilibrio líquido-sólido de potenciales sencillos (esferas duras, LJ) (grupo UNED).

B.3 Determinación por simulación cuántica (path integral) de las propiedades termodinámicas del agua y de su equilibrio líquido-sólido. Estudio de los efectos cuánticos en el modelado de la interacción entre proteínas y agua (grupos CSICICMM, UNED, UCM).

C.1 Modelado y simulación de basura espacial con evaluación de riesgos de colisión (grupos UCM, GMV). (Actividad cancelada)