El departamento se creó en 1976 al fundarse el Instituto de Estructura de la Materia

El Departamento de Física Macromolecular del Instituto de Estructura de la Materia reúne a un

grupo de científicos cuyo objetivo es la investigación de la conformación, dinámica y estructura

de los sistemas macromoleculares en la escala nanométrica y su influencia en las propiedades

macroscópicas de los mismos

Física de la Materia Blanda y Polimérica (SOFTMAT)

Nanoestructura y Propiedades de Polímeros (NANOPOL)

Biofísica de Sistemas Macromoleculares (BIOPHYM)

Nanoestructura y propiedades físicas de polímeros

Movilidad y orden en sistemas macromoleculares

Luz sincrotrón para estudio de polímeros y materiales nanoestructurados

Simulación multiescala de materiales poliméricos y macromoléculas biológicas

Biofísica

http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/

Partículas Elementales y Átomos

Moléculas y Macromoléculas

Materia y Universo

Largas y flexibles Ovillo estadístico

Enmarañamientos Plegado y orden macromolecular

Jerarquía conformacional y estructural

Flujo y procesado

Conformación y Dinámica Molecular

Estructura Modelos

microscópicos

Viscoelasticidad Nanoestructura

Jerarquía fenomenológica

Grupos de investigación Física de la Materia Blanda y Polimérica (SOFTMAT)

o Dispersión y difracción de rayos X a ángulos grandes (WAXS), pequeños (SAXS), ultra-

pequeños (USAXS) y con incidencia rasante (GISAXS) en radiación sincrotrón

o Sincrotrón español ALBA

o Dispersión de neutrones

o Calorimetría diferencial de barrido

o Microscopía óptica, de barrido (SEM) y de fuerza atómica (AFM)

o Nanoimpresión

o Espectroscopía dieléctrica de banda ancha

o Polímeros semicristalinos, Nanorejillas poliméricas, Superficies nanoestructuradas de polímeros,

Materiales compuestos conductores de nanotubos de carbono o grafeno, Confinamiento,

Conformación de materia blanda biológica.

http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/

Nanoestructura y Propiedades de Polímeros (NANOPOL)

o Dispersión y difracción de Rayos X (radiación sincrotrón)

o Calorimetría diferencial de barrido

o Microscopía óptica

o Propiedades mecánicas

o Micro y nanoindentación

o Materiales poliméricos, Nanocompuestos, Materiales confinados, Membranas y

Polielectrolitos

Grupos de investigación

Biofísica de Sistemas Macromoleculares (BIOPHYM)

o Propiedades en disolución (separación por tamaño y dispersión de luz)

o Análisis mediante fraccionamiento por temperatura de cristalización

o Calorimetría diferencial de barrido

o Dispersión y difracción de rayos X

o Microscopía óptica y electrónica de barrido y transmisión (STEM) y de fuerzas atómicas (AFM)

o Análisis dinamo-mecánico y propiedades mecánicas

o Reometría: viscoelasticidad y flujo

o Simulaciones mediante uso de computación de alto rendimiento

o Polímeros sintéticos y mezclas, Nanocompuestos poliméricos, Proteínas (EGFR, reflectina,

SOS), Interacción receptores-membrana lipídica, Líquidos iónicos

http://www.biophym.iem.csic.es/biophym/

Grupos de investigación

Simulación y Experimentos en Física Macromolecular: Polímeros

Sintéticos y Biomacromoléculas.

J.F. Vega

XII Curso de Iniciación a la investigación

Biophym-Física Macromolecular (IEM-CSIC)

24 de Marzo de 2015

Síntesis

Arquitectura molecular

Procesado

La Cadena de Conocimiento en Macromoléculas

Dinámica molecular

Propiedades

Estructura

Simulación Catalizador/Proceso

Simulación Estructura/Propiedades

Simulación procesado (Viscoelástico-FEM)

Simulación Arquitectura/Dinámica

Atomística MC/DM/mesoescala

Cuántica: Ab-initio

Modelización de las reacciones de

polimerización mediante

catalizadores organometálicos.

Síntesis de polímeros modelo.

Copolimeros de

etileno y metacrilato.

Biocompatibilidad

Comportamiento viscoelástico y

dinámica molecular de polímeros

sintéticos

Procesabilidad Viscoelasticidad y

Teorías de

cristalización Propiedades

mecánicas

Cristalización de polímeros en disolución.

Efecto de la arquitectura molecular

z

x

z

x

10-4

10-2

100

102

104

103

104

105

106

107

G(t

) P

a

t (seconds)

ErbB2 ErbB3

Proteínas relacionadas con procesos

cancerígenos

Reconstrucción de estructuras

tridimensionales de proteínas

obtenidas por microscopia

electrónica

Propiedades hidrodinámicas

Estudio conformacional de

dipéptidos como base del estudio

de neuropéptidos.

• Mecanismos nerviosos del aprendizaje y la memoria

• Regulación de la ingesta de comida y bebida

• Comportamiento sexual

• Control del dolor

Proteínas del Sistema Nervioso Central. Receptores cannabinoides CB1 y CB2

Box size: 12.6nm x 13.1nm x 12.4nm

~ 162000 atoms

w (rad/s)

T (Nm)

R

d

Fluid

Wall

Wall

Before: Wall at Rest

Fluid

Wall

Wall

After: Top Wall Set in motion

induces shear stress

F

Velocity, v

shear rate = v/d

d

1.Viscoelasticidad y dinámica Reología

102

103

104

105

106

107

10-3

10-1

101

103

105

107

109

T=190ºC

PE

PP

PS

o / P

a

Mw / g mol

-1

Largas y flexibles

Ovillo estadístico

Mc=2Me

Me=rRT/GN0

Edwards, 70’s

de Gennes, 1979 (Nobel, 1991)

Reptación Los ovillos se enmarañan

td

te

t0

1

3.4 Mc

tR

GN0

1.Viscoelasticidad y dinámica Reptación

Parámetros de la red de enmarañamientos

Reptación

2

21

/

oN

M,twFG

tG

ddoddp

texp

tpexpM,tF

tt

2

2p

1

td=3te(M/Me)3 [1-(Me/M)0.5]2

z0 es una propiedad específica que expresa la dificultad de los segmentos de cadena a difundir por el ambiente: depende de la química de la cadena y la temperatura, y su valor absoluto no puede predecirse ni medirse experimentalmente. Algo similar ocurre con Me, la distancia entre puntos de enmarañamiento.

0B2

22e0

eTmk3

M

RM

zt

1.Viscoelasticidad y dinámica Reptación

te

dT dT Me

1.Viscoelasticidad y dinámica Dispersión de Neutrones

SNS, Oak Ridge, Tenesse USA

Leyes de escala: difusión monomérica

Reptation

Tube Equilibration

Fickean

Entanglement

Rouse

-Instalaciones especializadas: reactor nuclear o fuente de espalación -Tiempo de experimento muy elevado

-Necesidad de extrema estabilidad instrumental -Muestras deuteradas en gran cantidad (señal/ruido)

dT=4.0 nm

1. Viscoelasticidad y dinámica Dispersión de Neutrones

SYNERGY BETWEEN EXPERIMENT/SIMULATION

SIMULATOR

EXPERIMENTALIST

THEORY

1.Viscoelasticidad y dinámica Simulación asistida por ordenador

Construcción y equilibrado de las estructuras mediante métodos Monte Carlo (movimientos concertados al azar hasta que las propiedades permanecen

invariables, por ejemplo la distancia entre extremos de cadena o el radio de giro)

20 cadenas de 1000 átomos

Caja de simulación: T, 1 atm Construcción de las cadenas (PE)

R0

1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.2 4.8

1.6

2.0

2.4

2.8

Reptation

Free Rouse

Experiments

Simulations

Theory

te

1/2

1/4

log g

1(t

) (A

2)

log t (ps)

Comparación Experimentos/Simulación/Teoría Validación de resultados

1.Viscoelasticidad y dinámica Simulación asistida por ordenador

Efecto de la Ramificación: 0, 19 y 55 ramas butilo/1000 C

Muestra dT

(nm)

te

(ns)

PE00 3.30 1.95

PE19 3.64 (3.98) 4.10

PE55 4.48 30.0

1. Viscoelasticidad y dinámica Simulación asistida por ordenador

14 15 16 17 180.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0/

0L

mb (g mol

-1)

Predicción

Experimentos

25.0

e

e

3

e

w0

M

τ1

M

MRTρ0064.0η

Modelos moleculares ramificados sintetizados en laboratorio mediante SSC Ramificaciones entre 0 y 43 ramas butilo / 1000 átomos de carbono

Experimental SEC

T= 463 K

1. Viscoelasticidad y dinámica Simulación asistida por ordenador

2. Procesos de cristalización de polímeros

Plegado

OM TEM AFM

2. Procesos de cristalización de polímeros

Simulación del proceso de plegado

2. Procesos de cristalización de polímeros

Efecto de las condiciones y la arquitectura

z

x

z

x

Enfriamiento lento

Enfriamiento rápido

2. Procesos de cristalización de polímeros

Efecto de las condiciones y la arquitectura

1 mm

2. Procesos de cristalización de polímeros

Microscopia Electrónica de Transmisión

z

x

z

x

2.Procesos de cristalización de polímeros

Nanotubos de carbono

3. Biofísica Macromolecular

ErbB2 ErbB3

Proteínas relacionadas con procesos

cancerígenos

Reconstrucción de estructuras

tridimensionales de proteínas

Propiedades hidrodinámicas.

Técnicas experimentales

ErbB2

TZM

ECD

TEM Cromatografía+LS Simulación

Sample grid

Image Reconstruction

Microscopia Electrónica de Transmisión

ErbB2/TZM (Complex C1) This is a flexible complex: reconstruction still not possible

250 kDa

Anticuerpo (TZM) ErbB2 Complex C1

Protein Mw [] (ml/g) rh (nm) Weight fraction (%)

Monomer 66.4 3.3 3.3 87.0

Dimer 136 5.0 4.8 11.5

Trimer 204 - - 1.5

RI/UV DP LS

BSA

Chromatography and Tetradetection Concentration, absolute Mw, molecular size and flexibility, radius of gyration

101

102

103

100

101

102

103

104

Erbb2

TZM

BSA

Complex2

Complex1

Flexible biopolymer (HA)

[

] (m

l/g)

Mw (kDa)

Globular proteins

Flexibilidad macromolecular

Molecular dynamics of the complete system

ErbB2 dimer + TZM

http://www.biophym.iem.csic.es/biophym

¿Quieres

ser tú?