Los métodos informáticos se están convirtiendo en una herramienta cada vez más poderosa en la búsqueda de nuevos materiales para tecnologías clave como la fotovoltaica, las baterías y la transmisión de datos. La Prof. Dra. Caterina Cocchi y Holger-Dietrich Saßnick de la Universidad de Oldenburg (Alemania) han desarrollado un método automatizado de alto rendimiento para calcular las propiedades superficiales de materiales cristalinos partiendo directamente del nivel de las leyes físicas establecidas (primeros principios).
En un artículo publicado en la revista npj Computational Materials Según informan, esto puede acelerar la búsqueda de materiales relevantes para aplicaciones en áreas clave como el sector energético. También planean combinar el método con inteligencia artificial y técnicas de aprendizaje automático para acelerar aún más el proceso.
Hasta ahora, métodos similares se han centrado en materiales a granel y no en superficies, explican los dos físicos. "Todos los procesos relevantes para la conversión, producción y almacenamiento de energía tienen lugar en las superficies", afirma Cocchi, que dirige el grupo de investigación de Física Teórica del Estado Sólido de la Universidad de Oldenburg.
Sin embargo, calcular las propiedades materiales de las superficies es mucho más complicado que el de los cristales completos, porque las facetas de la superficie suelen tener una estructura compleja debido a factores como defectos en la estructura cristalina o el crecimiento desigual de un cristal, explica.
Esta complejidad plantea problemas a los investigadores en el campo de la ciencia de materiales:"A menudo no es posible determinar claramente las propiedades de las muestras en los experimentos", afirma Cocchi. Esto motivó a Cocchi y su colega Saßnick a desarrollar un procedimiento automatizado para la detección de alta calidad de las características de nuevos compuestos.
El resultado de su trabajo fue incorporado al programa informático aim2dat, que sólo requiere como entrada la composición química de un compuesto. La información sobre la estructura del cristal se extrae de bases de datos existentes. Luego, el software calcula las condiciones bajo las cuales la superficie del material es químicamente estable.
En el segundo paso, determina propiedades clave, en particular, la energía necesaria para excitar electrones a estados de conducción o desprenderse de una superficie. Este parámetro juega un papel importante en materiales que convierten la energía solar en electricidad, por ejemplo. "No hacemos ninguna suposición en nuestros cálculos; utilizamos únicamente las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, por lo que nuestros resultados son muy fiables", explica Cocchi.
Los dos científicos demostraron la aplicabilidad del método utilizando el semiconductor telururo de cesio. Los cristales de este material, que se utilizan como fuente de electrones en los aceleradores de partículas, pueden presentarse en cuatro formas diferentes. "La composición y la calidad de las muestras de material son difíciles de controlar en los experimentos", señala Saßnick. Sin embargo, los investigadores de Oldenburg pudieron realizar un análisis detallado de las propiedades físicas de las diferentes configuraciones de los cristales de telururo de cesio.
Cocchi y Saßnick han integrado el software en una biblioteca de programas de acceso público para que otros investigadores también puedan utilizar y mejorar el procedimiento. "Nuestro método tiene un gran potencial como herramienta para descubrir nuevos materiales, y en particular sólidos física y estructuralmente complejos, para todo tipo de aplicaciones en el sector energético", afirma Cocchi.
Más información: Holger-Dietrich Saßnick et al, Análisis automatizado de facetas de superficie:el ejemplo del telururo de cesio, npj Computational Materials (2024). DOI:10.1038/s41524-024-01224-7
Proporcionado por la Universidad de Oldenburg
