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?