Crean método para estudio de nuevos materiales

Por Felipe Sánchez Banda 

Saltillo, Coahuila. 24 de enero de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- Científicos del cuerpo académico de Ingeniería Física en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM) de la Universidad Autónoma de Coahuila (Uadec) investigan propiedades en materiales, a través de la teoría del funcional de la densidad o DFT.

Este método proporciona una alternativa para estudiar diversos tipos de materiales a través de simulaciones previas a una fase experimental, empleando la física, química y computación con potencial en aplicaciones sustentables.

La teoría del funcional de la densidad o DFT es una teoría que provee un método para calcular algunas propiedades de una gran variedad de sistemas, por ejemplo: sólidos cristalinos, nanoestructuras, superficies, defectos y moléculas, partiendo, únicamente, de constantes físicas, posiciones atómicas y especies químicas.

Dra Teresa Romero de la Cruz Dr Reyes García Díaz.“DFT es un acrónimo de Density Functional Theory (teoría del funcional de la densidad), es una metodología ampliamente utilizada para estudiar las propiedades estructurales y electrónicas de materiales, semiconductores, metales, entre otros. Ha sido muy relevante para el estudio de los materiales, incluso en 1998 se le otorgó el premio Nobel a Walter Kohn por sus aportaciones en el desarrollo de esta teoría y hasta la actualidad sigue perfeccionándose”, explicó la doctora María Teresa Romero de la Cruz, profesora investigadora del cuerpo académico de Ingeniería Física en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Uadec.

La aplicación de modelos computacionales apropiados permite identificar fenómenos observados y complicados de comprender. Respecto al método, a partir de la teoría del funcional de la densidad, el doctor Reyes García Díaz, investigador en estancia posdoctoral asignado al cuerpo académico de Ingeniería Física en la FCFM de la Uadec, detalló: “Como su nombre lo indica, usa funcionales en la densidad electrónica, solo depende de tres coordenadas espaciales: x, y, z. No es tan costoso computacionalmente como otros métodos y reproduce de manera aceptable las propiedades de muchos sistemas”.

El método DFT, además de requerir menos recursos, proporciona ventajas en casos difíciles de explicar.

“Permite caracterizar, computacionalmente, materiales ya sea conocidos o novedosos. Estos materiales podrían presentar propiedades adecuadas para aplicaciones específicas, por ejemplo: diodos emisores de luz, detectores de gases, catalizadores, transistores de efecto de campo, etcétera. Se puede estudiar una amplia gama de materiales y sus propiedades”, comentó el doctor García Díaz.

El investigador añadió que el método no se limita a sistemas cristalinos en el volumen, ya que, mediante las técnicas correctas, es posible estudiar superficies, defectos, nanoestructuras, moléculas, entre otros sistemas o configuraciones.

Dentro de las propiedades que pueden estudiarse a través del modelo DFT destacan propiedades de tipo estructurales (posiciones de equilibrio, distancias, ángulos); electrónicas (densidad de estados total, local y parcial, diagramas de bandas, densidad de carga); magnéticas (diferentes configuraciones como ferromagnético, antiferromagnético); de estabilidad (cálculo de energías de formación); vibracionales (cálculo de los modos vibracionales, densidad de estados fonónicos); barreras de difusión superficial; barreras energéticas en reacciones (con o sin catalizador); simulaciones de imágenes de STM; energías de adsorción, entre otras.

“También podemos estudiar materiales que pudieran tener propiedades deseables para su aplicación en diversos campos como en la electrónica o catálisis”, añadió el especialista.

El doctor Reyes García Díaz aclaró que en el método DFT, a pesar de ser muy benéfico y arrojar resultados confiables, existen aspectos importantes que pueden dificultar su uso y el desarrollo de las investigaciones, principalmente la capacidad del equipo de cómputo con el que puedan contar los científicos.

“Tenemos una limitante con respecto al tamaño de los sistemas, aunque la teoría nos permite, en principio, calcular casi cualquier tipo de sistema; mientras más grandes son, contienen más átomos y, por ende, más electrones y más recursos computacionales se requieren para poder resolverlos. Es decir, se necesita más memoria de almacenamiento, tiempo de cálculo y número de procesadores para poder resolver los sistemas de ecuaciones que describen el sistema estudiado”, indicó el especialista.

Los investigadores mencionan que, con el uso de aproximaciones y los equipos modernos de cómputo, hay un límite al tamaño de los sistemas que se pueden estudiar. Estas aproximaciones idealizan los sistemas y se tiene un grado de error que se busca minimizar. También debe considerarse que cada teoría es buena para estudiar determinado grupo de casos (sistemas), ya que no existe una teoría capaz de ser aplicada a la totalidad de ellos.

Sin embargo, los avances científicos propician que el modelo DFT esté optimizándose constantemente, esto permite la posibilidad de reportar resultados confiables comparables con los resultados a nivel experimental o realizar cálculos de sistemas novedosos.

“La mejora de la teoría, en general, es otro aspecto a considerar como relevante, ya que las nuevas aproximaciones propuestas que mejoren la precisión o disminuyan el consumo de recursos computacionales durante el cálculo son importantes”, destacó el investigador.

Por su parte, la investigadora Romero de la Cruz visualiza el método DFT como una herramienta que complementa la investigación a nivel experimental.

“Podemos decir que, muchas de las veces, DFT es un complemento al trabajo experimental que se hace en materiales y, mediante modelación, se puede dar respuesta o entender el comportamiento de los mismos. El conocimiento del comportamiento de un material es fundamental para las posibles aplicaciones”.

Proyecto y aplicación

Actualmente, el cuerpo académico de Ingeniería Física en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Uadec emplea el método DFT para el cálculo de las propiedades estructurales y electrónicas de estructuras cristalinas, en este caso perovskitas. Específicamente el estudio de titanato de estroncio (SrTiO₃) y el germanato de estroncio (SrGeO₃) en estado puro y dopados. Uno de los dopantes propuestos para este proyecto es el bismuto (Bi).

“Estos sistemas se espera que tengan aplicaciones potenciales en fotocatálisis. Además, el estudio de nanoalambres de nitruros, por ejemplo nitruro de aluminio (AlN) y nitruro de boro (BN) que cambian sus propiedades en función del diámetro y sus posibles aplicaciones tecnológicas”, puntualizó el doctor García Díaz.

Dentro de los resultados preliminares del proyecto, destaca la caracterización computacional de las perovskitas en el volumen completo. Se compararon los resultados obtenidos de sus propiedades estructurales y electrónicas con los reportados en la literatura especializada y se encontraron similitudes razonables.

Además, los cálculos de los sistemas dopados están parcialmente terminados para el titanato de estroncio con dos diferentes concentraciones del dopante. Con respecto a los cálculos de los nanoalambres, el caso del nitruro de aluminio está casi terminado y dos nitruros más están en proceso.

“Hasta el momento hemos obtenido la optimización de estructuras de nanoalambres de nitruros, además de optimización de estructuras de perovskitas dopadas con elementos de tierras raras, que tienen aplicación en luminiscencia y el estudio de propiedades electrónicas de nanoalambres de nitruros”, concretó la doctora Romero de la Cruz.

De acuerdo con los científicos, continuará la aplicación de este tipo de métodos para el estudio de materiales, ya que proveen, en general, una manera de predecir las propiedades de sistemas novedosos o la explicación de fenómenos observados por grupos experimentales.

La doctora Romero de la Cruz añadió que, debido a la versatilidad del método, el método DFT continuará en uso para el estudio de materiales.

“A lo largo del desarrollo de DFT, estas aproximaciones han evolucionado, o bien surgen nuevas aproximaciones para reducir la complejidad del sistema, esto le da versatilidad a la metodología, por lo que está vigente en el área de materiales”.

En la teoría del funcional de la densidad intervienen muchas aproximaciones para dar solución a un problema de manera general, como el caso del comportamiento de un sistema con muchas partículas (electrones, iones, etcétera) que forman el material. Esta visión proporciona una perspectiva que brinda gran apoyo a las investigaciones.

“En la predicción de propiedades nos permite estudiar y proponer sistemas que pueden ser usados en aplicaciones específicas. En el caso de la explicación de fenómenos, nos permite mejorar nuestro entendimiento de los sistemas que ya existen, con la finalidad de mejorarlos (optimizarlos) o simplemente explicarlos”, mencionó el doctor García Díaz.

El especialista agregó que las aproximaciones y modificaciones que se proponen al método acercan cada vez más a un modelado más preciso, que puede ser empleado en un mayor número de sistemas de manera más eficiente en el futuro.

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