Materiales en aplicaciones industriales y de ingeniería, como el hierro y el acero, se utilizan a menudo a presiones y temperaturas extremas o en entornos complejos donde sus propiedades pueden ser muy diferentes de las que se encuentran en circunstancias normales.

Quizás el ejemplo más famoso de esto en la práctica son los mosaicos exteriores del transbordador espacial Columbia de la NASA, que se cubrió con una combinación de compuestos de sílice y óxido de aluminio para protegerlo contra temperaturas de hasta 1, 200 grados F. Mirando hacia atrás ahora, Fue una hazaña de ingeniería increíble lograr esto considerando que carecían de la potencia computacional que tenemos hoy.

La capacidad de predecir las propiedades de los materiales, como con los azulejos, lejos de las condiciones encontradas en la experiencia común, y donde las mediciones experimentales son limitadas, es por tanto una gran ventaja en el diseño y descubrimiento de materiales. Esta situación presenta desafíos únicos para la simulación de materiales, ya que requiere que los modelos y sus supuestos subyacentes se apliquen en situaciones muy diferentes a aquellas en las que se desarrollaron.

Un equipo que involucra a IBM Research y el Centro Hartree del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido (STFC) ha desarrollado una nueva clase de métodos de simulación de materiales diseñados para mejorar el poder predictivo y ampliar el rango de condiciones sobre las cuales se pueden aplicar los modelos de simulación de materiales a escala molecular. con confianza. Esto se logra incorporando respuestas electrónicas en la descripción molecular. Esta innovación permite que las moléculas simuladas se adapten a su entorno de la forma en que lo hacen las moléculas "reales" y es lo suficientemente eficiente como para aplicarse a relativamente grandes, sistemas complejos.

En un documento que aparece hoy en Informes científicos de la naturaleza , abordamos el célebre desafío del agua líquida como un sistema modelo que exhibe cambios inusuales y dramáticos en las propiedades físicas dependiendo de la temperatura, con un comportamiento particularmente misterioso (como una temperatura de densidad máxima y expansión térmica negativa) que aparece cerca y por debajo del punto de congelación.

Nuestro equipo utiliza simulación de materiales para explorar la estructura y las propiedades del agua en los extremos de su rango de estabilidad como líquido:en su límite de temperatura alta cuando el líquido se condensa por primera vez en pequeñas cadenas de escala molecular y gotea hasta las temperaturas más bajas alcanzables para el líquido "superenfriado" altamente estructurado, que sobrevive muy por debajo del punto de congelación normal; y en el régimen "estirado" desconocido, donde los enlaces líquidos soportan tensiones de alta tensión antes de "romperse" para formar cavidades de vapor. El trabajo también revela relaciones previamente no reconocidas entre la estructura líquida y las de los "hielos vidriosos".

El acuerdo con la evidencia experimental disponible en un rango tan amplio de condiciones es una evidencia poderosa de que las respuestas electrónicas incorporadas en el modelo capturan la física esencial requerida para describir algunas de las propiedades misteriosas del agua y exponer sus orígenes moleculares por primera vez.

Mientras que en nuestro artículo nos enfocamos en el agua o los líquidos, también es práctico para sólidos, y actualmente estamos desarrollando para aplicaciones más amplias en sectores industriales como las ciencias de la vida a través del Hartree Center.

Pensando en los ingenieros que diseñaron el transbordador espacial, probablemente tuvieron meses, si no años, de prueba y error para desarrollar las baldosas para que fueran resistentes al calor, pero ligero y no demasiado quebradizo. Al aplicar la tecnología discutida en nuestro documento, podrían haber probado cientos de diseños en minutos. No olvidar, estamos haciendo pruebas virtuales, que también es mucho menos costoso y más seguro en comparación con las pruebas físicas.

Estoy seguro de que este trabajo de simulación de materiales contribuirá a una nueva era cognitiva de descubrimiento.