La simetría es una característica predominante de la naturaleza en todas las escalas. Por ejemplo, nuestros ojos desnudos pueden identificar fácilmente simetrías en la forma corporal de innumerables organismos. La simetría también es muy importante en los campos de la física y la química, especialmente en el ámbito microscópico de los átomos y las moléculas. Los cristales, que son materiales altamente ordenados, incluso pueden tener múltiples tipos de simetría al mismo tiempo, como simetría rotacional, simetría de inversión y simetría traslacional.

Últimamente, junto con el rápido progreso de la informática, los investigadores han desarrollado métodos computacionales que buscan predecir las propiedades físicas de los cristales en función de su estructura electrónica. En la práctica, sin embargo, rara vez se utilizan cristales puros y perfectamente simétricos. Esto se debe a que las propiedades de un cristal se pueden ajustar como se desee aleándolos con otros materiales o sustituyendo aleatoriamente ciertos átomos con otros elementos, es decir, dopaje.

En consecuencia, los científicos de materiales están buscando enfoques computacionalmente eficientes para analizar tales aleaciones y cristales sustituidos, también conocidos como soluciones sólidas. El "método de la supercélula" es uno de esos enfoques y se usa ampliamente para modelar estructuras cristalinas con sustituciones aleatorias de diferentes átomos. La simetría de los cristales, sin embargo, es en realidad un problema cuando se utiliza esta técnica. En los cristales, puede haber muchos patrones de sustitución que son físicamente equivalentes a otras sustituciones si simplemente los trasladamos o rotamos. Encontrar estos patrones de sustitución simétricos no es muy significativo y, por lo tanto, su cálculo cuando se utiliza el método de supercélulas es una pérdida de tiempo.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente Kousuke Nakano del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) encontró una solución a este problema. Desarrollaron un software de código abierto llamado "Suite para la generación de modelos de alto rendimiento con sustituciones atómicas implementadas por Python" o SHRY que puede, en términos de simetría, generar distintos patrones de sustitución en soluciones sólidas y aleaciones. Este trabajo, que fue publicado en el Journal of Chemical Information and Modeling , fue coescrito por el estudiante de doctorado Genki I. Prayogo, el Dr. Andrea Tirelli, el profesor Ryo Maezono y el profesor asociado Kenta Hongo.

El equipo abordó el problema desde el punto de vista de la teoría de grupos. Resulta que la búsqueda de patrones de sustitución atómica en cristales es análoga al problema de encontrar patrones de colores en los vértices de gráficos bajo ciertas restricciones. Esto permite reformular el problema original de encontrar sustituciones atómicas no simétricas en cristales como árboles de búsqueda que representan la coloración de los vértices en los gráficos.

Sin embargo, la forma en que se explora el árbol de búsqueda es crucial. Un enfoque simple e ingenuo en el que se buscan todas las ramas posibles y se comparan directamente es imposible; el tiempo y los cálculos requeridos crecen sin control para los grandes sistemas. Esto sucede porque decidir si explorar más abajo en una rama requiere información sobre todas las demás ramas además de la que se está explorando, lo que técnicamente se conoce como "información no local".

Para evitar este problema, los investigadores implementaron en SHRY una técnica llamada aumento canónico. "Este método puede decidir si la rama de un árbol debe explorarse más profundamente o no basándose únicamente en la información local", explica el Dr. Nakano. sub-explorando la estructura del árbol en términos de simetría". El equipo verificó que su algoritmo no tuviera errores al probarlo minuciosamente con datos de una base de datos de estructuras cristalinas.

Vale la pena señalar que SHRY se escribió en Python 3, uno de los lenguajes de programación multiplataforma más populares, y se subió a GitHub, una plataforma en línea líder para compartir proyectos. "SHRY puede usarse como un programa independiente o importarse a otro programa de Python como un módulo", destaca el Dr. Nakano, "Nuestro software también usa el formato de archivo de información cristalográfica (CIF) ampliamente admitido tanto para la entrada como para la salida del conjuntos de estructuras cristalinas sustituidas". El equipo planea seguir mejorando el código de SHRY en función de los comentarios de otros usuarios, aumentando su velocidad y capacidades.

En general, el software desarrollado en este estudio podría ayudar a los científicos a identificar posibles sustituciones atómicas en los sólidos, que es la estrategia más común utilizada para ajustar las propiedades de los materiales para aplicaciones prácticas. SHRY ayudará a acelerar la investigación y desarrollar cristales sustituidos con funcionalidades sin precedentes y características superiores. + Explora más

Polaritones de cizalla hiperpolic en cristales de baja simetría