Investigadores de la Universidad de Texas en Austin están explorando cómo las simulaciones moleculares con las últimas estrategias de optimización pueden crear una forma más sistemática de descubrir nuevos materiales que exhiben características específicas, propiedades deseadas.

Más específicamente, lo hicieron modificando el objetivo del diseño a lo microscópico, preguntarse qué interacciones entre las partículas constituyentes pueden hacer que se "autoensamblen" espontáneamente en un material a granel con una propiedad particular. Para encontrar la respuesta informó esta semana en La Revista de Física Química , decidieron concentrarse en cómo se organizan espacialmente las partículas compuestas.

"Nuestra inspiración técnica provino de un campo de investigación muy diferente:el modelado y simulación de biomoléculas, "dijo Thomas Truskett, profesor del Departamento de Ingeniería Química de McKetta y coautor del trabajo. "Los expertos en ese campo habían desarrollado una serie de herramientas para usar simulaciones moleculares para 'aprender' qué interacciones de modelos simplificados podían reproducir las exquisitas propiedades estructurales de grandes biomoléculas".

Reconocieron que este enfoque de modelado podría usarse para identificar interacciones entre partículas más simples que se autoensamblarían espontáneamente en estructuras más complejas.

"El autoensamblaje es un fenómeno por el cual las partículas, como átomos y moléculas, organizarse espontáneamente en arquitecturas multidimensionales complejas, ", dijo Truskett." Congelar el agua, cristalizarla, es un ejemplo cotidiano, y la forma en que las moléculas de agua se organizan en condiciones externas prescritas está dictada por sus interacciones o fuerzas ".

Para ampliar las posibilidades de autoensamblaje, el grupo investigó otra clase de partículas llamadas "coloides, "que normalmente se refieren a moléculas o nanopartículas más grandes suspendidas en un fluido.

"[Los coloides son] interesantes para el autoensamblaje y se distinguen de sus primos atómicos y moleculares más pequeños porque sus interacciones son altamente ajustables, "dijo Ryan Jadrich, becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química de McKetta. "Al adaptar cuidadosamente las interacciones de las partículas coloidales, podemos ejercer un control sin precedentes sobre los detalles organizativos microscópicos para influir en gran medida en las propiedades de los materiales a granel ".

El diseño avanzado ha sido el enfoque de facto para el autoensamblaje de ingeniería durante muchos años.

"En una interpretación muy simplificada, el diseño avanzado equivale a fabricar partículas con interacciones novedosas y luego verificar en qué se ensamblan, con suerte algo deseable, ", Dijo Truskett." La intuición física de los investigadores puede ayudar a acelerar el proceso de realización de los materiales deseados, pero este enfoque es costoso desde la perspectiva del tiempo y requiere cierto grado de suerte o grandes gastos ".

Diseño inverso, que aborda el trabajo del grupo, literalmente intenta el problema al revés.

"Los investigadores humanos hacen aquello en lo que son buenos:imaginar arquitecturas de partículas novedosas y útiles. Y las computadoras hacen lo que hacen bien:resolver problemas complejos de optimización, "Dijo Jadrich.

Según Truskett, Uno de los principales beneficios del nuevo enfoque de diseño inverso es que proporciona un marco muy general que se puede aplicar para apuntar al autoensamblaje de materiales cristalinos o fluidos "sobre la marcha".

"[E] l método 'aprende' todo lo que necesita a medida que los datos relevantes surgen naturalmente de un proceso iterativo, marco impulsado por simulación, ", dijo." Un corolario interesante es que no se requiere una base de datos auxiliar precompilada de información; tales repositorios de datos eran un prerrequisito indeseable para los enfoques anteriores de diseño inverso de cristal ".

Ellos ensamblaron computacionalmente algunas arquitecturas de partículas francamente intrigantes, incluido uno descrito como "queso suizo".

"En este caso, Descubrimos interacciones que llevaron a las partículas a autoensamblarse en una matriz que rodea los agujeros esféricos, también conocido como poros o cavidades, "Truskett dijo." Sorprendentemente, estos poros ordenados en una disposición cristalina, mientras que las partículas "reales" más pequeñas permanecieron desordenadas, estado fluídico que se filtra alrededor de los poros ".

Aunque el diseño inverso es un área de investigación relativamente joven y activa, ya se está avanzando hacia un marco general y prácticamente útil, según Jadrich, donde su trabajo representa una estrategia emergente. El diseño inverso es parte de una tendencia emergente en todas las disciplinas científicas, utilizando el aprendizaje automático computacional y la interferencia estadística para acelerar el descubrimiento.

"El diseño inverso permite el descubrimiento de materiales mucho más complejos, en computadoras, que nunca antes, y esta es una tendencia que creemos continuará, ", dijo." Estas herramientas no reemplazarán pronto a los investigadores humanos, pero permite que los investigadores se centren en otros a menudo tareas más interesantes que exigen un diseño creativo. La peor parte del trabajo, lo que equivale a desentrañar detalles sutiles, encontrar patrones, o realizando cálculos complejos, ahora puede ser relegado a la automatización ".