A medida que se han hecho disponibles nuevos métodos para comprender y manipular la materia en sus niveles más fundamentales, Los investigadores que trabajan en el campo interdisciplinario de la ciencia de los materiales han tenido cada vez más éxito en sintetizar nuevos tipos de materiales. A menudo, el objetivo de los investigadores en el campo es diseñar materiales que incorporen propiedades que puedan ser útiles para realizar funciones específicas. Dichos materiales pueden, por ejemplo, ser más estable químicamente o resistente a la rotura física, tienen características electromagnéticas ventajosas, o reaccionar de manera predecible a condiciones ambientales específicas.

El Dr. Ralf Tonner y su grupo de investigación en la Universidad de Marburg están abordando el desafío de diseñar materiales funcionales de una manera inusual, aplicando enfoques basados ​​en la química computacional. Utilizando recursos informáticos en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS), uno de los tres centros de supercomputación nacionales alemanes que componen el Centro Gauss de Supercomputación, Tonner modela fenómenos que ocurren a escala atómica y subatómica para comprender cómo factores como la estructura molecular, propiedades electronicas, enlace químico, y las interacciones entre átomos afectan el comportamiento de un material.

"Cuando estudias cómo, por ejemplo, una molécula se adsorbe en una superficie, "Tonner explica, "otros científicos a menudo describen ese fenómeno con métodos de la física, teoría del estado sólido, o estructuras de banda. Creemos que también puede ser muy útil preguntar:¿Cómo vería un químico lo que está sucediendo aquí? ". Desde esta perspectiva, Tonner está interesado en explorar si comprender las reacciones químicas (cómo los átomos se unen en moléculas y reaccionan cuando se ponen en contacto entre sí) puede ofrecer conocimientos nuevos y útiles.

En una nueva publicación en WIREs Computational Molecular Science , Tonner y su colaboradora Lisa Pecher destacan la capacidad de los enfoques de la química computacional que utilizan la computación de alto rendimiento para revelar fenómenos interesantes que ocurren entre las moléculas orgánicas y las superficies. También demuestran de manera más general cómo se pueden entender estas interacciones con respecto al mundo molecular y del estado sólido. El conocimiento que obtuvieron podría ser útil para diseñar superficies con patrones, un objetivo de los científicos que trabajan en la próxima generación de más poderosos, semiconductores más eficientes.

Llevando la computación a la química

Los átomos se unen para formar moléculas y compuestos cuando se acercan entre sí y luego intercambian o comparten electrones que orbitan alrededor de sus núcleos. Los átomos específicos involucrados, las formas físicas que toman las moléculas, sus propiedades energéticas, y cómo interactúan con otras moléculas cercanas son todas propiedades que le dan a un compuesto sus propiedades únicas. Tales características pueden determinar si es probable que los compuestos permanezcan estables, o si tensiones como cambios de temperatura o presión podrían afectar su reactividad.

Tonner utiliza un enfoque computacional llamado teoría funcional de la densidad (DFT) para explorar tales características en la escala cuántica; es decir, en la escala donde la mecánica newtoniana es reemplazada por el mundo mucho más extraño de la mecánica cuántica (a distancias de menos de 100 nanómetros). DFT usa información sobre variaciones en la densidad de electrones dentro de una molécula, una cantidad que también se puede medir experimentalmente usando una tecnología ampliamente utilizada llamada difracción de rayos X, para derivar la energía del sistema. Esta, Sucesivamente, permite a los investigadores inferir interacciones entre núcleos, así como interacciones entre electrones y núcleos, factores que son críticos para comprender los enlaces y reacciones químicas.

DFT puede proporcionar útiles, aunque estático, información sobre los perfiles energéticos de los compuestos que estudian. Para comprender mejor cómo se comportan realmente los sistemas de moléculas cuando interactúan con una superficie, El grupo de Tonner también utiliza computación de alto rendimiento en HLRS para realizar simulaciones de dinámica molecular. Aquí, los científicos observan cómo se desarrolla el sistema de moléculas con el tiempo, a nivel de átomos y electrones y en escalas de tiempo de picosegundos (un picosegundo es una billonésima de segundo).

Dichos cálculos suelen utilizar 2, 000-3, 000 núcleos de computación, corriendo en un problema durante una semana, y Tonner ha presupuestado aproximadamente 30 millones de horas de CPU en HLRS para el actual ciclo de financiamiento de dos años.

"El aumento de la potencia informática ha hecho posible que la química computacional y la química cuántica describan sistemas moleculares reales. Hace apenas 15 o 20 años, las personas solo podían mirar moléculas pequeñas y tenían que hacer aproximaciones bastante fuertes, "Explica Tonner." En los últimos años, Las comunidades de la química computacional y la teoría del estado sólido han resuelto el problema de paralelizar sus códigos para operar de manera eficiente en sistemas informáticos de alto rendimiento. A medida que las supercomputadoras crecen, anticipamos poder desarrollar modelos cada vez más realistas para sistemas experimentales en ciencia de materiales ".

Hacia semiconductores basados ​​en luz

Un área en la que Tonner está utilizando actualmente la química computacional es estudiar formas de mejorar el silicio para su uso en nuevos tipos de semiconductores. Este problema ha ganado urgencia en los últimos años, ya que ha quedado claro que la industria de la microelectrónica está llegando al límite de su capacidad para mejorar los semiconductores utilizando solo silicio.

Como Tonner y sus colegas experimentales informan en un artículo reciente en el Beilstein Journal of Organic Chemisty, funcionalizar el silicio con compuestos como el fosfuro de galio (GaP) o el arseniuro de galio (GaAs) podría permitir el diseño de nuevos tipos de semiconductores. Esta investigación, basado en un campo llamado fotónica de silicio, postula que estos nuevos materiales harían posible el uso de luz en lugar de electrones para el transporte de señales, apoyando el desarrollo de dispositivos electrónicos mejorados.

"Para hacer esto, "Tonner explica, "Realmente necesitamos entender cómo se ven y se comportan las interfaces entre el silicio y estos compuestos orgánicos. La reacción entre estas dos clases de materiales debe realizarse de una manera muy controlada para que la interfaz sea lo más perfecta posible. Con la química computacional podemos ver en los detalles elementales de estas interacciones y procesos ".

Por ejemplo, para cubrir una losa de silicio, Las moléculas precursoras líquidas de los átomos constituyentes del arseniuro de galio se colocan en un burbujeador. donde luego se llevan a la fase gaseosa. Estas moléculas precursoras están compuestas por los átomos necesarios para el nuevo material (galio, arsénico) e iones o moléculas llamados ligandos para estabilizarlos en la fase líquida y gaseosa. Estos ligandos se pierden posteriormente en el proceso de deposición y cuando se coloca silicio en el sistema, las moléculas precursoras se adsorben sobre la superficie sólida de silicio. Después de la adsorción y pérdida de ligandos, Los átomos de galio y arseniuro se adhieren al silicio, formando una película de GaAs.

La forma en que se organizan los átomos cuando se adsorben en una superficie está determinada por enlaces químicos. La fuerza de estos enlaces y la densidad con la que se adsorben las moléculas precursoras de GaAs se ven afectadas no solo por la distancia entre ellas y la superficie del silicio, sino también por las interacciones entre las propias moléculas precursoras. En un tipo de interacción, llamado repulsión de Pauli, nubes de electrones se superponen y se repelen, haciendo que la energía disponible para la unión disminuya. En otro, llamada interacción de dispersión atractiva, los cambios en las posiciones electrónicas en un átomo hacen que los electrones se redistribuyan en otros átomos, armonizando los movimientos de los electrones y reduciendo la energía del sistema total.

Previamente, Se había sugerido que las relaciones repulsivas entre átomos son el factor más importante para "dirigir" los átomos a su lugar cuando se adsorben en una superficie. Al utilizar la teoría funcional de la densidad y observar las características intrigantes de cómo se distribuyen los electrones, Los investigadores determinaron que la capacidad de los átomos para dirigir a otros átomos a su lugar en la superficie también puede resultar de atractivas interacciones dispersivas.

Obtener una mejor comprensión de estas interacciones fundamentales debería ayudar a los diseñadores de semiconductores ópticamente activos a mejorar la adsorción de las moléculas precursoras en el silicio. Esta, Sucesivamente, permitiría combinar la conducción de la señal de luz con microelectónica basada en silicio, reuniendo lo mejor de ambos mundos en conducción óptica y electrónica.

Para Tonner, El uso de métodos de primeros principios en química para aplicaciones de ciencia de materiales es muy prometedor. "La teoría actual se toma muy a menudo como un complemento de la investigación experimental, ", dice." Aunque la experimentación es extremadamente importante, Nuestro objetivo final es que la teoría sea predictiva de manera que nos permita dar los primeros pasos en el diseño de materiales inspirados en los primeros principios. Veo esto como un objetivo a largo plazo ".