memoria de 2009 - Instituto de Estructura de la Materia - Consejo ...

Estos resultados se obtuvieron estudiando numéricamente sistemas bosónicos grandes, de hasta 10.000 partículas.
También se llevó a cabo un análisis teórico, mediante la aproximación de Tamm-Dankoff, que proporcionó una
buena descripción semicuantitativa, excepto en la región crítica.
COMPORTAMIENTO FÍSICO A NANO-ESCALAS
Probablemente el hidrógeno molecular (H 2 ) es el candidato actual más claro para sustituir a los derivados del
petróleo como vector energético medioambientalmente neutro. El almacenamiento seguro y eficiente de H 2
presenta, sin embargo, una serie de desafíos tecnológicos aún no resueltos. Una de las posibles soluciones es la
adsorción del H 2 a bajas temperaturas en materiales nano-estructurados suficientemente ligeros. A pesar de la gran
importancia tecnológica del fenómeno y quizás por esto mismo ya que muchos de los esfuerzos se han desviado
hacia planteamientos de “prueba y error”, la naturaleza microscópica de las interacciones del H 2 con este tipo de
sistemas dista de estar bien entendida. Durante el 2009 hemos estudiado este aspecto de la adsorción de H 2 en una
serie de sistemas principalmente carbonosos utilizando técnicas de medición de adsorción a temperatura constante
y en función de esta (en este último caso utilizando una técnica desarrollada dentro de nuestro grupo de
investigación) así como varias técnicas de dispersión de neutrones. Hemos podido establecer en este sentido, como
en el caso de la nano-estructuración del carbono, los defectos, siempre con una alta presencia en este tipo de
estructuras, sólo altera débilmente la energética de la interacción entre el carbono y el H 2, consiguiéndose las
mayores capacidades de adsorción mediante mecanismos de confinamiento extremo dominados por efectos
geométricos/topológicos. Es decir, no son los barreras energéticas las que dominan la adsorción eficiente si no las
barreras entrópicas, en el sentido de que una molécula de H 2 atrapada siempre tiene la posibilidad de escapar sin
remontar una barrera energética alta pero la probabilidad de encontrar el camino que se lo permite es baja. Esto
impone límites a las capacidades de adsorción de los materiales carbonosos no dopados. Sin embargo, hemos
descubierto también, que estos límites se ven fuertemente alterados al alza cuando el material es capaz de
deformarse estructuralmente según se produce el proceso de adsorción.
Probablemente la información microscópica más directa sobre la interacción del H 2 con el substrato se obtiene
sondeando mediante dispersión inelástica de neutrones la alteración de la dinámica rotacional de la molécula, de
naturaleza cuántica en el caso del H 2 , debido a la interacción molécula/substrato. A este respeto, hemos podido
realizar por primera vez una medida de carácter fundamental que aún faltaba. Recurriendo a una complicada
técnica neutrónica (espín eco en configuración de tres ejes) y trabajando con transferencia de energía fuera de la
condición quasielástica habitual en la técnica, conseguimos la resolución suficiente para medir la anchura de línea
natural de la rotación de la molécula de H 2 dentro de la fase cristalina.
Otro tipo de nano-estructuras con una gran importancia tecnológica son los cristales de latex, cristales artificiales
formados por auto-ensamblado de partículas nanoscópicas de latex artificial. Cristales de buena calidad de este tipo
sirven como moldes para la generación de nano-estructuras con un amplio rango de aplicaciones desde la catálisis
hasta la opto-electrónica. Durante el 2009 hemos puesto a punto una teoría original numéricamente eficiente para
describir la dispersión de radiación (difracción) en este tipo de sistemas, probablemente la técnica más precisa para
obtener información estructural interna. Gracias a este desarrollo hemos podido modelar de forma exhaustiva y
cuantitativa medidas de difracción (radiación sincrotrón en este caso). Ciñéndonos al modelado de un único tipo de
cristal ya hemos podido obtener varias conclusiones. En primer lugar la estructura fcc se ve fuertemente favorecida
frente a otras posibles configuraciones energéticamente equivalentes confirmando algunos informes previos. En
segundo lugar, las partículas esféricas iniciales se deforman dentro del cristal en grado apreciable. Finalmente
resulta esencial tener en cuenta la dependencia radial de la longitud de dispersión dentro de las nano-partículas
para un modelado completo de las medidas. Más aún, hemos desarrollado un método para obtener éstas a partir de
las medidas de difracción cristalina.
ESTRUCTURA Y DINÁMICA MICROSCÓPICA DE MATERIA CONDENSADA DESORDENADA
La riqueza de estructuras microscópicas de la materia condensada va mucho más allá de las tradicionales fases
cristalinas (sólido ordenado), vidrio (sólido desordenado) y líquido (fluido). Sustancias molecularmente sencillas
como los alcoholes simples (Metanol, Etanol, Propanol, …) presentan fases con diferentes tipos de ordenamiento
espacio-temporal en diferentes grados de libertad. Probablemente el ejemplo más destacable es el etanol en el que a
parte del cristal, vidrio y liquido convencionales puede adoptar una fase de vidrio orientacional con los grados de
libertad traslacionales ordenados en un cristal bcc mientras que los orientacionales están en una fase vítrea
desordenada. Estos grados orientacionales pueden a su vez se “funden” a una determinada temperatura y rotar
alrededor de los centros de masas moleculares ordenados cristalinamente.
Durante 2009 hemos estudiado como el juego entre los grados de libertad moleculares y los colectivos influyen en
las propiedades de transporte midiendo la conductividad térmica del metanol, etanol y 1-propanol en un amplio
rango de temperaturas a lo largo de la transición vítrea. De la comparación queda patente que los grados de libertad
25