Propiedades estructurales y termofísicas de modelos de partículas Janus con orientación fija

Abstract

Esta tesis estudiará varios sistemas compuestos por partículas de Janus. Comenzaremos calculando las propiedades de equilibrio del fluido en una dimensión, cuyas partículas presentan dos regiones diferentes, que actúan bajo el potencial de esfera dura, excepto si las dos regiones activas interactúan, siendo entonces el potencial de pozo cuadrado. La solución analítica, correspondiente al sistema “quenched” (orientaciones fijas en el espacio). En todo caso, la comparación entre teoría y simulación tanto para el caso quenched como “annealed” (orientaciones libres) muestra una concordancia excelente. Por su parte, el desarrollo analítico en tres dimensiones se basará en el mapeo del fluido en una mezcla binaria formado por esferas cuyos hemisferios hidrófobos apuntan arriba o abajo. La naturaleza anisotrópica del potencial de Kern‐Frenkel original se ve reflejada por la asimetría de las interacciones entre los diferentes componentes de la mezcla. Utilizaremos una aproximación RFA (Rational Function Approximation) para extender el caso simétrico para el caso “sticky”. A pesar de usar una aproximación tan drástica, los resultados proporcionan una estimación precisa de las propiedades estructurales y termodinámicas del fluido “quenched” simulado mediante el método de Monte Carlo.

This thesis studies various systems composed of Janus particles. We will start calculating the equilibrium properties of the onedimensional fluid. The system is composed of particles with two faces, so that the pair interaction is that of hard spheres, except if the two active faces are in front of each other, in which case the interaction has a square‐well attractive tail. The exact solution refers to “quenched” systems (i.e., each particle has a fixed face orientation). Comparison between theoretical results and Monte Carlo simulations for quenched and “annealed” (i.e. the particles can flip its face and orientation) systems, respectively, exhibits an excellent degree of agreement. On the other hand, the analytical approach in three dimensions hinges on a mapping of the above Janus fluid. The intrinsic anisotropic nature of the original Kern‐Frenkel potential is reflected by the asymmetry in the interactions occurring between the unlike components of the mixture. A rational‐function approximation (RFA) is obtained in the sticky limit, where the square‐well becomes infinitely narrow and deep, and allows for a fully analytical approach. In spite of the rather drastic approximations in the analytical theory, this is shown to provide a rather precise estimation of the structural and thermodynamical properties of the “quenched” fluid simulated through the Monte Carlo method.