Modelación físico-matemática y simulaciones computacionales para guiar el diseño y fabricación de nanoestructuras plasmónicas optimizadas para aplicaciones energéticas

[ES] La irradiación de nanopartículas de oro (AuNPs) esféricas en una suspensión coloidal con pulsos láser de nanosegundos puede inducir su metamorfosis, dando lugar a la aparición de esferas con cavidades internas. La concentración del surfactante estabilizador de las partículas, el uso de fluencias de láser moderadas y el tamaño de las partículas, determinan la eficiencia y características del proceso. Las partículas huecas resultantes se obtienen cuando las moléculas del medio circundante (ej., agua, materia orgánica del surfactante) quedan atrapadas durante la irradiación láser. Estas observaciones experimentales sugieren la existencia de un balance sutil entre los procesos de calentamiento y enfriamiento. El primero induce la expansión y paso a un estado amorfo y, el segundo, la subsecuente recristalización manteniendo en su interior el material atrapado. Estas observaciones experimentales han sido explicadas satisfactoriamente con las simulaciones de dinámica molecular clásica desarrolladas en el marco de esta tesis. Específicamente, la dinámica molecular confirma que es necesaria la existencia de moléculas en el interior de las cavidades que se forman dentro de las AuNPs para que se produzca su estabilización. En la segunda parte de esta tesis, se detallan las simulaciones de dinámica molecular clásica y los cálculos de propiedades ópticas de la irradiación de nanopartículas esféricas de oro con pulsos láser de femtosegundos, para predecir los cambios de forma que se producen en las mismas, bajo una exploración de los diferentes parámetros involucrados, es decir, la fluencia y duración del láser, el tamaño de las nanopartículas cristalinas esféricas y la capacidad de enfriamiento del medio circundante. El objetivo fundamental de las simulaciones es brindar una guía para la síntesis de nanopartículas con morfologías determinadas. Los resultados de las simulaciones indican que, para la formación de nanopartículas huecas, las mismas deben ser calentadas hasta una temperatura entre 2500 y 3500 K, seguido por un enfriamiento exponencial rápido, con una constante de tiempo menor de 120 ps. Por lo tanto, se describen las condiciones experimentales para la producción eficiente de nanopartículas huecas, lo que abre un amplio rango de posibilidades de aplicación en áreas fundamentales, tales como el almacenamiento de energía y la catálisis. En la última parte de esta memoria se exponen las simulaciones de dinámica molecular clásica implementadas para profundizar en los experimentos pumpprobe con nanoesferas plasmónicas de oro, desarrollados en la referencia [R.Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Tras la irradiación láser y consecuente deposición de energía, las partículas vibran, lo que se puede medir mediante la fuerte modulación producida en la sección eficaz de dispersión. La vibración mecánica de las AuNPs esféricas, tras ser irradiadas con láseres ultracortos, las convierte en generadores termoelásticos eficientes de ultrasonido y, por tanto, en excelentes candidatos para transductores luz-sonido en diversas aplicaciones.[CA] La irradiació de nanopartícules d'or (AuNPs) esfèriques en una suspensiócolloidal amb polsos làser de nanosegons pot induir la seua metamorfosi, donant lloc a l'aparició d'esferes amb cavitats internes. La concentració del surfactante estabilitzador de les partícules, l'ús de fluencias de làser moderades i la grandària de les partícules, determinen l'eficiència i característiques del procés. Les partícules buides resultants s'obtenen quan les molècules del mitjà circumdant (ex., aigua, matèria orgànica del surfactante) queden atrapades durant la irradiació làser. Aquestes observacions experimentals suggereixen l'existència d'un balanç subtil entre els processos de calfament i refredament. El primer indueix l'expansió i passe a un estat amorf i, el segon, la subseqüent recristalización mantenint en el seu interior el material atrapat. Aquestes observacions experimentals han sigut explicades satisfactòriament amb les simulacions de dinàmica molecular clàssica desenvolupades en el marc d'aquesta tesi. Específicament, la dinàmica molecular confirma que és necessària l'existència de molècules a l'interior de les cavitats que es formen dins de les AuNPs perquè es produïsca la seua estabilització. En la segona part d'aquesta tesi, es detallen les simulacions de dinàmica molecular clàssica i els càlculs de propietats òptiques de la irradiació de nanopartícules esfèriques d'or amb polsos làser de femtosegundos, per a predir els canvis de manera que es produeixen en aquestes, sota una exploració dels diferents paràmetres involucrats, és a dir, la fluencia i duració del làser, la grandària de les nanopartícules cristal·lines esfèriques i la capacitat de refredament del mitjà circumdant. L'objectiu fonamental de les simulacions és brindar una guia per a la síntesi de nanopartícules amb morfologies determinades. Els resultats de les simulacions indiquen que, per a la formació de nanopartícules buides, les mateixes han de ser calfades fins a una temperatura entre 2500 i 3500 K, seguit per un refredament exponencial ràpid, amb una constant de temps menor de 120 pg. Per tant, es descriuen les condicions experimentals per a la producció eficient de nanopartícules buides, la qual cosa obri un ampli rang de possibilitats d'aplicació en àrees fonamentals, tals com l'emmagatzematge d'energia i la catàlisi. En l'última part d'aquesta memòria s'exposen les simulacions de dinàmica molecular clàssica implementades per a aprofundir en els experiments pumpprobe amb nanoesferas plasmónicas d'or, desenvolupats en la referència [R. Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Després de la irradiació làser i conseqüent deposició d'energia, les partícules vibren, la qual cosa es pot mesurar mitjançant la forta modulació produïda en la secció eficaç de dispersió. La vibració mecànica de les AuNPs esfèriques, després de ser irradiades amb làsers ultracortos, les converteix en generadors termoelásticos eficients d'ultrasò i, per tant, en excel·lents candidats per a transductors llum-so en diverses aplicacions.[EN] The irradiation of gold nanoparticles (AuNPs) in a colloid with nanosecond laser pulses can give rise to the formation of cavities. The concentration of the surfactant used to stabilize the particles, the laser fluency, and the size of the nanoparticles, determine the efficiency and features of the process. The resulting hollow particles are obtained when the right balance between the heating and cooling processes is given. The first process induces an expansion and the melting of the particle, while the second, leads to the recrystallization, keeping the extraneous matter trapped in the inside. These experimental observations have been satisfactorily explained by the molecular dynamics simulations carried out in this thesis. Specifically, the simulations have confirmed that it is necessary the existence of trapped molecules in the inside of the cavities to stabilize the cavities. In the second part of this thesis, the molecular dynamics simulations and calculation of optical properties when gold nanoparticles (in a colloid) are irradiated with femtosecond laser pulses. The simulations allowed to predict the the shape changes under different conditions for the laser fluency and duration, the size of the nanoparticles and the cooling rate, which is driven by the properties of the solvent and the surfactant. These simulations provide a guidance for the synthesis of nanoparticles with specific morphological features. The results show that the nanospheres should be heated up to 2500 y 3500 K, followed by a fast cooling (time constant of 120 ps). Therefore, the experimental conditions for the efficient production of hollow nanoparticles are described what opens a broad range of possibilities for applications in areas such as energy storage and catalysis. MD simulations are carried out in the last part of this thesis to gain insights into the pump-probe experiments using AuNPs in reference [R. Fuentes-Domínguez et al. Appl. Sci. 2017, 7(8), 819.]. Upon femtosecond laser irradiation and deposition of energy, the nanospheres vibrate which can be measured by means of the scattering cross section. This fact becomes the AuNPs in ideal thermoelastic ultrasound generators and therefore in excellent candidates for light-sound transducers in different applications.Castro Palacio, JC. (2021). Modelación físico-matemática y simulaciones computacionales para guiar el diseño y fabricación de nanoestructuras plasmónicas optimizadas para aplicaciones energéticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175557TESI

Direct measurement of the speed of sound using a microphone and a speaker

[EN] We present a simple and accurate experiment to obtain the speed of sound in air using a conventional speaker and a microphone connected to a computer. A free open source digital audio editor and recording computer software application allows determination of the timeofflight of the wave for different distances, from which the speed of sound is calculated. The result is in very good agreement with the reported value in the literature.The authors would like to thank the Institute of Education Sciences, Universitat Politecnica de Valencia (Spain), for the support of the Teaching ` Innovation Groups, MoMa and e-MACAFI.Gómez-Tejedor, JA.; Castro Palacio, JC.; Monsoriu Serra, JA. (2014). Direct measurement of the speed of sound using a microphone and a speaker. Physics Education. 49(3):310-313. doi:10.1088/0031-9120/49/3/310310313493LoPresto, M. C. (2011). Experimenting with end-correction and the speed of sound. Physics Education, 46(4), 437-439. doi:10.1088/0031-9120/46/4/011Ng, Y., & Mak, S. (2000). Measurement of the speed of sound in water. Physics Education, 36(1), 65-70. doi:10.1088/0031-9120/36/1/312Mak, S., Ng, Y., & Wu, K. (2000). Measurement of the speed of sound in a metal rod. Physics Education, 35(6), 439-445. doi:10.1088/0031-9120/35/6/311Albergotti, J. C. (1981). Speed of sound by a time‐of‐flight method. American Journal of Physics, 49(6), 595-596. doi:10.1119/1.12466Ouseph, P. J., & Link, J. J. (1984). Variation of speed of sound in air with temperature. American Journal of Physics, 52(7), 661-661. doi:10.1119/1.1387

Collision-induced rotational excitation in N2 (+)((2)Σg (+),v=0)-Ar: Comparison of computations and experiment

The collisional dynamics of N2 (+)((2)Σg (+)) cations with Ar atoms is studied using quasi-classical simulations. N2 (+)-Ar is a proxy to study cooling of molecular ions and interesting in its own right for molecule-to-atom charge transfer reactions. An accurate potential energy surface (PES) is constructed from a reproducing kernel Hilbert space (RKHS) interpolation based on high-level ab initio data. The global PES including the asymptotics is fully treated within the realm of RKHS. From several ten thousand trajectories, the final state distribution of the rotational quantum number of N2 (+) after collision with Ar is determined. Contrary to the interpretation of previous experiments which indicate that up to 98% of collisions are elastic and conserve the quantum state, the present simulations find a considerably larger number of inelastic collisions which supports more recent findings

Using a mobile phone acceleration sensor in physics experiments on free and damped harmonic oscillations

We have used a mobile phone acceleration sensor, and the Accelerometer Monitor application for Android, to collect data in physics experiments on free and damped oscillations. Results for the period, frequency, spring constant, and damping constant agree very well with measurements obtained by other methods. These widely available sensors are likely to find increased use in instructional laboratories.The authors would like to thank the Institute of Education Sciences, Universitat Politecnica de Valencia (Spain), for the support of the Teaching Innovation Group, MoMa.Castro Palacio, JC.; Velazquez Abad, L.; Gimenez Valentin, MH.; Monsoriu Serra, JA. (2013). Using a mobile phone acceleration sensor in physics experiments on free and damped harmonic oscillations. American Journal of Physics. 81:472-475. doi:10.1119/1.4793438S4724758

Hyperbolic space in the Newtonian limit: The cosmological constant

[EN] In this paper, the cosmological constant and the Boltzmann entropy of a Newtonian Universe filled with a perfect fluid are computed, under the assumption that spatial sections are copies of 3-dimensional hyperbolic space.This research was supported by Grant No. RTI2018-102256-B-I00 (Spain).Castro-Palacio, JC.; Fernández De Córdoba, P.; Gallego Torromé, R.; Isidro, J. (2022). Hyperbolic space in the Newtonian limit: The cosmological constant. International Journal of Modern Physics D. 31(09):2250072-1-2250072-11. https://doi.org/10.1142/S02182718225007292250072-12250072-11310

Monte Carlo Simulation of a Modified Chi Distribution Considering Asymmetry in the Generating Functions: Application to the Study of Health-Related Variables

[EN] Random variables in biology, social and health sciences commonly follow skewed distributions. Many of these variables can be represented by exGaussian functions; however, in practice, they are sometimes considered as Gaussian functions when statistical analysis is carried out. The asymmetry can play a fundamental role which can not be captured by central tendency estimators such as the mean. By means of Monte Carlo simulations, the effect of a small asymmetry in the generating functions of the chi distribution is studied. To this end, the k generating functions are taken as exGaussian functions. The limits of this approximation are tested numerically for the practical case of three health-related variables: one physical (body mass index) and two cognitive (verbal fluency and short-term memory). This work is in line with our previous works on a physics-inspired mathematical model to represent the reaction times of a group of individuals.This researchwas partially funded by grant number RTI2018-102256-B-I00 of MINECO/FEDER (Spain). N. Ortigosa acknowledges the support from Generalitat Valenciana under grant Prometeo/2017/102, and from Spanish MINECO under grant MTM2016-76647-P.Ortigosa, N.; Orellana-Panchame, M.; Castro-Palacio, JC.; Fernández De Córdoba, P.; Isidro, J. (2021). Monte Carlo Simulation of a Modified Chi Distribution Considering Asymmetry in the Generating Functions: Application to the Study of Health-Related Variables. Symmetry (Basel). 13(6):1-12. https://doi.org/10.3390/sym1306092411213