Estructura y estabilidad de cúmulos metálicos a temperatura finita

Abstract

En esta tesis se usó el método de dinámica molecular (DM) para realizar un estudio sobre la estabilidad térmica de estructuras de cúmulos metálicos y bimetálicos de CuxCoN-x (x = 0, 1 y N = 13, 55, 147 y 309), modelando las interacciones entre los átomos con el potencial de Gupta. Para obtener configuraciones iniciales para las simulaciones de DM, se obtuvieron las estructuras de mínima energía para cada cúmulo utilizando el programa “BHUoS”, el cual está basado en el método de basin hopping. Todas las estructuras resultaron ser icosaedros de capa cerrada, como se esperaba. Posteriormente se realizaron simulaciones de dinámica molecular a distintas temperaturas, cada una con tiempos de simulación del orden de 1 nanosegundo. Con los datos obtenidos para cada simulación, se calcularon las siguientes propiedades físicas: la función de distribución de pares, g(r), la capacidad calorífica, Cv, ésta a partir de la construcción de la curva calórica y también a partir de las fluctuaciones de la energía. También se calculó el desplazamiento cuadrático medio, MSD. El comportamiento de todos los cúmulos atómicos a temperaturas cercanas a la zona de transición mostró que ocurren cambios abruptos en la energía durante la transición de fase. Con ayuda de la función de distribución de pares fue posible observar que el rango de temperatura donde ocurre la transición es pequeño, de pocos grados de diferencia en la mayoría de los casos. Mediante el monitoreo del cambio en la energía total del sistema en función de la temperatura, se identificaron las tres zonas típicas de la curva calórica de cada cúmulo atómico. Éstas se compararon con las curvas correspondientes de la capacidad calorífica. De este modo se definió el rango de temperatura donde tiene lugar la zona de transición para cada cúmulo. Así, se hizo una estimación de la temperatura de fusión y se encontró que ésta se incrementa conforme aumenta el tamaño del cúmulo atómico, excluyendo a los cúmulos de 13 átomos que presentaron los puntos de fusión más altos con relación a los otros cúmulos de este estudio. El desplazamiento de los átomos se estudió con el cálculo del desplazamiento cuadrático medio a temperaturas correspondientes al estado sólido, de transición y estado líquido, confirmando la existencia de estas fases en los cúmulos metálicos estudiados.