Estudi de partícules autopropulsades a escala molecular

Els sistemes de matèria activa tenen la capacitat d'exhibir autopropulsió consumint energia per produir treball mecànic, mantenint-se fora de l'equilibri. Es produeixen en una àmplia gamma d'escales, des de mamífers i ocells fins a bacteris. Un objectiu important en el camp és el desenvolupament de partícules artificials a micro i nanoescala capaces d'autopropulsió, els anomenats nedadors. Aquests nedadors tenen el potencial per a aplicacions innovadores, com ara el “drug delivery”, la microcirurgia no invasiva i la purificació d'aigua. No obstant això, aconseguir propulsió a escales tan petites és difícil, necessitant la recerca de nous mecanismes de propulsió.

Aquesta tesi demostra un mecanisme de propulsió per a una molècula, el nitrometà, mitjançant simulacions de dinàmica molecular. La molècula rep una excitació vibracional d'alta energia que després s'allibera anisotròpicament a l'aigua circumdant. Això dóna lloc a pics de velocitat de propulsió que són capaços d’augmentar la difusió translacional de la molècula. El model de nitrometà constitueix l'exemple més petit d'una partícula autopropulsada.

Finalment, es presenta i s'utilitza una classe de potencials interatòmics d'aprenentatge automàtic d'última generació, basats en xarxes neuronals, per a l'estudi de la termoforesi, un fenomen estretament relacionat amb el mecanisme de propulsió del nitrometà i amb una marcada sensibilitat a les interaccions solut-solvent. Els potencials de xarxa neuronal permeten l'exploració de sistemes a gran escala amb precisió comparable amb càlculs quàntics. Aquests nous algorismes s'estan desenvolupant a un ritme ràpid i permeten la caracterització precisa de sistemes de matèria condensada, un ingredient crític en el desenvolupament de partícules autopropulsades.