Temas de Tesis de Licenciatura y Doctorado 2022

Actualizado al 22/06/2022

En el Grupo de Teoría y Simulación en Materia Blanda, estudiamos líquidos simples, sistemas poliméricos, interfases y sistemas coloidales a escala nanoscópica. Los sistemas pueden estar en equilibrio o presentar flujo de partículas o calor y son de interés en ciencia básica y aplicada en campos como micro y nano-fluídica. Una característica central es que la temperatura juega un rol importante y existe una competencia entre entropía y energía. Esto suele dar lugar a transiciones de fases u otros cambios cualitativos del comportamiento del sistema.

Usamos herramientas teóricas y numéricas, con énfasis en conceptos de mecánica estadística, que permiten estudiar variados sistemas en diferentes situaciones físicas. Estudiamos a estos sistemas en condiciones de equilibrio termodinámico o también, su comportamiento cuando se inducen flujos o se los somete a campos externos.

Temas propuestos de Tesis de Licenciatura en Física

* Proponemos también Temas de Doctorado en estas líneas de investigación.


1. Simulación de transferencia de calor en nanocanales con paredes modificadas por polímeros

Contacto: pastor.at.cnea.gov.ar, IG: @clopasto , Twitter: @clopasto

Los fenómenos de transferencia de calor tienen una gran importancia en un amplísimo rango de aplicaciones como por ejemplo, los procesos de generación y conversión de energía. Además, son cruciales para el enfriamiento de motores y dispositivos electrónicos. Estas aplicaciones requerirán en el futuro un funcionamiento a mayor densidad de energía, y por lo tanto, mayor generación de calor, que deberá ser removido más eficientemente. En particular, los fenómenos de cambio de fases, como la ebullición nucleada, tienen aplicaciones en plantas de potencia eléctrica, desalinización térmica, calefacción y refrigeración doméstica, acondicionamiento de aire, enfriamiento de chips electrónicos y recuperación de calor desechado, entre muchas otras. La mejora de los procesos de transferencia de calor, conlleva entonces, debido a este amplísimo rango de aplicaciones, a un importante impacto ambiental y económico. Uno de los desafíos más importantes para continuar la reducción de tamaño de los dispositivos electrónicos o aumentar su densidad de potencia de operación es lograr una extracción eficiente del calor generado. La transferencia de calor es relevante también en aplicaciones a escalas espaciales mayores, como en la generación de energía eléctrica en centrales térmicas y nucleares. En las centrales nucleares de generación IV es necesario aumentar el calor transportado por unidad de tiempo y mejorar la eficiencia de los intercambiadores de calor.

En esta línea se propone estudiar la transferencia de calor en un nanocanal que presenta una interfaz líquido vapor. Queremos entender los detalles de cómo cambian con el tiempo las características de la evaporación de una interfaz y las condicions cuando se modifica la pared con polímeros u otras moléculas en el seno del líquido. Realizaremos simulaciones de dinámica molecular en clusters de supercómputo para estudiar estos sistemas en distintas condiciones físicas. También se realizarán cálculos analíticos en el marco de teoría de líquidos y mecánica estadística.

Contacto: pastor.at.cnea.gov.ar, IG: @clopasto , Twitter: @clopasto


2. Dinámica de moléculas anulares en polirotaxanos

Responsable: Claudio Pastorino

Los polirotaxanos, son agregados macromoleculares compuestos por múltiples moléculas cíclicas enhebradas en una cadena polimérica con grandes grupos terminales en sus extremos, que impiden la salida de los anillos. Algunos de los anillos de cadenas diferentes pueden formar junturas en forma de 8, mientras que otros permanecen libres (Ver Figgura, panel central). La investigación en este tipo de materiales denominados slide-ring, es de gran relevancia actual, ya que son relativamente sencillos de sintetizar y presentan propiedades mecánicas muy interesantes y diferentes a las de otros arreglos de cadenas poliméricas. Entre estas propiedades puede mencionarse una enorme elasticidad: láminas de este material pueden estirarse hasta un 150% y tienen la posibilidad de incrementar su volumen en un grado significativo. También tienen una gran capacidad de relajar la fuerza aplicada en un punto, mediante la redistribución de las junturas y los anillos sueltos. Esto permite crear materiales resistentes a los arañazos y otros tipos de superficies "inteligentes". Los polirotaxanos son, junto con otras MIMs (//Mechanically Interlocked Molecules//), elementos constitutivos importantes de las denominadas máquinas moleculares. Estos mecanismos moleculares pueden tomar energía del ambiente para generar movimientos dirigidos y disipación. Es decir, funcionar como motores y bombas nanoscópicas. Todas estás notables propiedades mecánicas hacen que los polirotaxanos sean muy promisorios industrial y tecnológicamente y sistemas fascinantes para estudiar por simulación computacional.

Se propone estudiar las fuerzas inducidas por fluctuación entre dos o mas anillos, debidas a restricciones en las fluctuaciones naturales de una cadena sometida a una tensión externa y a una dada temperatura. En la figura (panel inferior), las restricciones están dadas por anillos (que respresentan moléculas "enhebradas" en la cadena), que están fijas en las direcciones perpendiculares a la cadena, pero pueden moverse a lo largo de ella. La motivación es entender el efecto de las fluctuaciones en objetos externos a un medio fluctuante, la dinámica de los anillos en polirotaxanos y la posibilidad de estudiar mecanismos de agregación en materia condensada blanda y sistemas biológicos.

Contacto: pastor.at.cnea.gov.ar


Conceptos involucrados y tipo de trabajo

Estos trabajos son teóricos-numéricos, con una parte importante de cálculo computacional. Se usan principalmente conceptos de mecánica estadística (Física Teórica 3 en DF-UBA), materia condensada en general y materia blanda. Se aprenderá el uso y los fundamentos de métodos de cálculo y simulaciones como Dinámica Molecular, Dissipative Particle Dynamics y Monte Carlo, de aplicación en un amplio rango de sistemas y disciplinas científicas. No se estudian los problemas en términos de mecánica cuántica, porque se estudia a los sistemas en escalas espaciales y temporales relativamente grandes (mesoscópicas), de forma que los grados de libertad cuánticos pueden codificarse en potenciales clásicos. No se requieren conocimientos previos de computación, pero sí interés en el uso y creación de programas, para plantear y "medir" los problemas físicos.