Modeling and simulation of systems and properties of matter in the nanoscale

• Materials grup: phase transitions and multiscale systems

• Nanosystems statistical physics group

• Theoretical physics of nanoscopic systems

Materials grup: phase transitions and

multiscale systems

Membres: Antoni Planes Lluis Mañosa Teresa Castan Eduard Víves PhD students: 2 Postdocs.: 2

Projectes de recerca: GENCAT: 2014SGR182 MINECO: MAT2013-40590-P, MAT2015-69777-REDT

Línies de recerca

• Estudi de transicions de fase estructurals I magnètiques que donen lloc a estructures multiescala (des de el nm fins al mm)

• Caracterització I desenvolupament de materials per l’aprofitament de diferents efectes calòrics: elastocalòrics, barocalòrics, magnetocalòrics i electrocalòrics: Aplicacions a la refrigeració d’estat sòlid ecològica i a la recol·lecció d’energia.

• Estudi de diferents fenòmens que presenten dinàmica per allaus: fractura de materials nanoporosos sota compressió, transicions martensítiques i ebullició: Rellevants tant pels aspectes fonamentals dels fenòmens multiescala com també per aplicacions a l’estudi de les característiques mecàniques d’implants ossis.

• Estudi teòric de transicions de fase en sistemes ferrotoroïdals amb paràmetres d’orde exòtics.

Tècniques experimentals

• Microcalorimetría

• Microcalorimetría sota tensió, sota camps elèctrics i sota camps magnètics.

• Màquines de tracció mecànica amb control de temperatura, de força i de desplaçaments. Mesura de desplaçaments fins els 100 nm.

• Emissió acústica: detecció i localització d’allaus estructurals d’escala nanomètrica

• Efecte Barkhausen: Bobina superconducttora (fins a 6T)

Col·laboracions

• University of Cambridge: Department of Earth Science: E.K.H. Salje

• University of Cambridge: Department of Materials Scinece: N. Mathur & X. Moya

• Northeastern University (Boston) Department of Materials: L. Lewis

• Los Alomos National Lab: Physics of Condensed Matter and Complex Ssytems:

A. Saxena

• U.P.C. Departament de Física i Enginyeria Nuclear: J.Ll. Tamarit & P. Lloveras

• Centre de Recerca Matemàtica (Bellaterra): A. Corral

Vistes del laboratori

Nanosystems Statistical Physics Group

Members: G. Franzese Mª C. Miguel I. Pagonabarraga A. Pérez D. Reguera M. Rubi PhD students: 7 Postdocs.: 5

Research Projects: GENCAT: SGR (1) MINECO: Plan Nacional (3); Redes de Excelencia (3) EU: NanoTransKinetics ; FET-Open (Abiomater), ITN ( Nanotrans) COST: Flowing Matter; E-Infra: E-CAM

Computer facilities: Statistical Physics Supercomputation Lab (30 nodes 324 cores 600 Gb RAM + 5 nodes with GPUs)

Research interest: To study basic process at the nanoscale from the perspective of statistical physics. Systems: Nanoparticles, proteins, molecular motors, viruses, active particles, ….

Hydrated nano-interfaces. Examples: Nanoparticles (NPs) for water filtration and food processing; Hydrated protein for cryopreservation and food storage. Nano-crystallization. In collaborations with: E. Valsami-Jones (Un. of Birmingham); A. De Simone (Imperial College London).

Phys. Rev. Lett. 106, 145701 (2011) PNAS 108, 19877 (2011) Sci. Rep. (Nature) 4, 4440 (2014)

NanoBio-Interactions: NP-protein corona; NP-membrane kinetics, Protein-Protein interactions; Tools for large-scale simulations of NPs in biological environments. In collaborations with: K. A. Dawson (Un. College Dublin); J. Raddler (Ludwig-Maximilians-Universitat).

Soft Matter 9, 6978 (2013) github.com/bubbles-suite/BUBBLES

Irreversible deformation and failure of crystalline structures below the microscale: Dynamics of topological defects, crack nucleation, and size effects.

Figure

Protein folding and aggregation: Protein design and sequence optimization; protein self-assembly; protein crystallization. In collaborations with: I. Coluzza (Un. of Vienna); H.E. Stanley (Boston University). Phys. Rev. Lett. 109, 095702 (2012) Sci. Rep. (Nature) 5, 11260 (2015) Phys. Rev. Lett. 115, 108101 (2015).

Active matter: Collective properties of suspensions of active colloids Pattern formation and fundamental mechanisms

Physics of Viruses: Self-assembly, mechanical properties, packaging and encapsulation, development of novel applications of viral nanocontainers

Autocatalytic colloids display self-diffusiophoresis

Different scnearios for structure formation

Study of the kinetics and formation of unsteady aggregates

Emergence of spontaneous oscillations

Transport and phase transitions in nanoconfinement: Entropic transport and separation, nanoscale confined diffusion, nucleation in nanosystems

F(t) f

Entropic electrokinetics: transport of electrolytes and charged tracers under nanoconfinement. New transport and segregation regimes

Heat exchange and energy harvesting at the nanoscale: heat radiation in the near-field, photon tunneling, radiation energy harvesting, optimal structures for heat transmission, Casimir forces, proximity approximation.

Soft matter at the nanoscale: instabilities, kinetically controlled morphologies, nonequilibrium structures , new computational mesosocopic models

Gels sustained by nanocolloids in binary mixtures

Electroporation in lipid membranes

Dynamic wetting instabilities and drop emission at nanoconfinement

Nanocolloids and block-copolymers:

new phases and textures under forcing fields

New computational models to study dynamics of nanoscturtured materials

Theoretical physics of nanoscopic

systems

Membres: Manuel Barranco Muntsa Guilleumas Ricardo Mayol Martí Pi PhD students: 2 Postdocs.: 1

Projectes de recerca: GENCAT: 2014SGR401 MINECO: FIS2011-28617-C02-01, FIS2014-52285-C2-1-P

Línies de recerca

• Condensats de Bose-Einstein: S’està estudiant el llarg abast i el

caràcter anisotròpic de la interacció dipolar en els gasos dipolars ultrafreds en dos règims diferents:

– Amb l’aproximació de camp mig, via l’equació de Gross-Pitevskii, es descriu la propagació d’excitacions entre condensats que no se solapen.

– En el regim altament correlacionat s’estudia els efectes anisotropics de la interacció dipolar pel diagrama de fase d’un triple pou amb l’aproximació de Bose-Hubbard.

• Líquids quàntics: Mitjançant l’aproximació d’un funcional de la

densitat s’està descrivint tant els processos estàtics com dinàmics de gotes d’heli dopades amb impureses atòmiques i/o moleculars:

– Dinàmica de la foto desorció d’àtoms alcalins pesats (Rb & Cs) de la superfície d’una gota d’heli.

– Formació de matrius de vòrtex en gotes d’heli dopades amb Xe.

– Dinàmica de solvatació de cations alcalins sobre gotes d’heli.

What is Bose-Einstein Condensation?

at low temperatures:

• all particles collapse into

a single quantum state

(macroscopic wavefunction)

MACROSCOPIC QUANTUM

PHENOMENA !!!

BECs interfere like waves

water

Y j =|Y j| ei f j

j = 1, 2

Vortices in superfluids

a single quantized vortex (ENS, Paris 1999)

vort

ex latt

ices (

MIT

2001)

Macroscopic quantum objects in fast rotation

1. Superfluid liquid helium

Packard et al

2. Bose-Einstein

Condensate Y W t X

W

W

Fuente

Cámara de reacción

Absorción de

fotones y

evaporación Ionización en

espectrómetro

de masas Lás

er

Barranco et al. Nucl. Phys. News 13 (2003) 44

Fuente

Cámara de reacción

Absorción

de fotones y

evaporación Ionización en

espectrómetro

de masas

Muntatge experimental per la formació i dopatge de gotes d’heli

Exemple de la simulació dinàmica de l’absorció del catió Ba+ per una gota de 1000 àtoms de

He4

Col·laboracions

• U.B. Departament de Química Física: M. González

• Universitat Autònoma de Barcelona: A. Sanpera

• CSIC, Valencia: J. Navarro

• CSIC, Madrid: M.P. de Lara-Castells

• Università di Padova: F. Ancilotto

• ISTM, Milano: F. Cargnoni

• Università degli Studi dell’Insubria, Como: M. Mella

• Swiss Federal Institute of Technology Lausanne: M. Drabbels

• Universität Freiburg: M. Mudrich & F. Stienkemeier