Los átomos dentro de los materiales no siempre están perfectamente ordenados, como se muestra habitualmente en los modelos. En magnético, ferroeléctricos (o que muestren polaridad eléctrica) y materiales de aleación, existe una competencia entre la disposición aleatoria de los átomos y su deseo de alinearse en un patrón perfecto. El cambio entre estos dos estados, llamada transición de fase, ocurre a una temperatura específica.

Markus Eisenbach, un científico computacional en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, encabeza un grupo de investigadores que se ha propuesto modelar el comportamiento de estos materiales utilizando los primeros principios, desde la física fundamental sin condiciones preestablecidas que se ajusten a los datos externos.

"Solo estamos rascando la superficie de la comprensión de la física subyacente de estas tres clases de materiales, pero tenemos un excelente comienzo, "Dice Eisenbach." Los tres en realidad se superponen en el sentido de que sus modos de operación implican desorden, excitaciones térmicas y transiciones de fase resultantes - del desorden al orden - para expresar su comportamiento ".

Eisenbach dice que está fascinado por "cómo aparece y luego desaparece el magnetismo a diferentes temperaturas. Controlar el magnetismo de una dirección a otra tiene implicaciones para la grabación magnética," por ejemplo, y todo tipo de máquinas eléctricas, por ejemplo, motores en automóviles o generadores en turbinas eólicas ".

Los modelos de los investigadores también podrían ayudar a encontrar imanes versátiles que no utilizan elementos de tierras raras como ingrediente. Ubicado en la parte inferior de la tabla periódica, estos 17 materiales provienen casi exclusivamente de China y, debido a su fuente limitada, se consideran críticos. Son un pilar en la composición de muchos imanes potentes.

Eisenbach y sus colaboradores, que incluye su equipo ORNL y Yang Wang con el Pittsburgh Supercomputing Center, están en el segundo año de un premio DOE INCITE (Impacto computacional innovador y novedoso en la teoría y el experimento) para modelar los tres materiales a nivel atómico. Se les han otorgado 100 millones de horas de procesador en la supercomputadora Titan de ORNL y ya tienen resultados impresionantes en imanes y aleaciones. Titan se encuentra en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Los investigadores descubren el comportamiento a escala atómica utilizando, a veces, un código híbrido que combina Wang-Landau (WL) Monte Carlo y métodos de dispersión múltiple (LSMS) autoconsistente localmente. WL es un enfoque estadístico que muestrea el panorama de la energía atómica en términos de efectos finitos de temperatura; LSMS determina el valor energético. Solo con LSMS, han calculado las propiedades magnéticas del estado fundamental de una partícula de hierro y platino. Y sin hacer ninguna suposición más allá de la composición química, han determinado la temperatura a la que la aleación de cobre y zinc pasa de un estado desordenado a uno ordenado.

Es más, Eisenbach ha sido coautor de dos artículos sobre ciencia de los materiales el año pasado, uno en Computación de Liderazgo, el otro una carta en Naturaleza , en el que él y sus colegas informaron sobre el uso de las coordenadas tridimensionales de una nanopartícula de hierro-platino real con 6, 560 de hierro y 16, 627 átomos de platino para encontrar sus propiedades magnéticas.

"Estamos combinando la eficiencia del muestreo WL, la velocidad del LSMS y la potencia de cálculo de Titán para proporcionar una descripción termodinámica sólida de primeros principios del magnetismo, "Dice Eisenbach." La combinación también nos está dando un tratamiento realista de aleaciones y materiales funcionales ".

Las aleaciones se componen de al menos dos metales. Latón, por ejemplo, es una aleación de cobre y zinc. Imanes por supuesto, se utilizan en todo, desde tarjetas de crédito hasta máquinas de resonancia magnética y en motores eléctricos. Materiales ferroeléctricos, como titanato de bario y titanato de circonio, forman lo que se conoce como un momento eléctrico, en una fase de transición, cuando las temperaturas caen por debajo de la temperatura de Curie ferroeléctrica, el punto donde los átomos se alinean, desencadenando magnetismo espontáneo. El término, llamado así por el físico francés Pierre Curie, quien a fines del siglo XIX describió cómo los materiales magnéticos responden a los cambios de temperatura, se aplica tanto a las transiciones ferroeléctricas como a las ferromagnéticas. Eisenbach y sus colaboradores están interesados ​​en ambos fenómenos.

Eisenbach está particularmente intrigado por las aleaciones de alta entropía, una subclase relativamente nueva descubierta hace una década que puede tener propiedades mecánicas útiles. Las aleaciones convencionales tienen un elemento dominante, por ejemplo, Hierro en acero inoxidable. Aleaciones de alta entropía, por otra parte, distribuye uniformemente sus elementos en una celosía de cristal. No se vuelven frágiles cuando se enfrían permaneciendo flexible a temperaturas extremadamente bajas.

Para comprender la configuración de las aleaciones de alta entropía, Eisenbach utiliza la analogía de un tablero de ajedrez salpicado de cuentas blancas y negras. En un material ordenado, cuentas negras ocupan cuadrados negros y cuentas blancas, cuadrados blancos. En aleaciones de alta entropía, sin embargo, las perlas se esparcen aleatoriamente por la celosía independientemente del color hasta que el material alcanza una temperatura baja, mucho más bajo que las aleaciones normales, cuando casi a regañadientes se ordena.

Eisenbach y sus colegas han modelado un material de hasta 100, 000 átomos utilizando el método Wang-Landau / LSMS. "Si quiero representar el desorden, Quiero una simulación que calcule cientos, si no miles, de átomos, en lugar de solo dos o tres, " él dice.

Para modelar una aleación, los investigadores primero implementan la ecuación de Schrodinger para determinar el estado de los electrones en los átomos. "Resolver la ecuación te permite comprender los electrones y sus interacciones, que es el pegamento que mantiene unido el material y determina sus propiedades físicas ".

Todas las propiedades y energías de un material se calculan mediante cientos de miles de cálculos en muchas configuraciones posibles y en temperaturas variables para dar una interpretación de modo que los modeladores puedan determinar a qué temperatura un material pierde o gana su magnetismo. oa qué temperatura pasa una aleación de un estado desordenado a uno perfectamente ordenado.

Eisenbach espera ansiosamente la llegada de la supercomputadora Summit, de cinco a seis veces más poderosa que Titán, a OLCF a fines de 2018 ". podemos hacer simulaciones más grandes y posiblemente mirar materiales desordenados aún más complejos con más componentes y composiciones muy variadas, donde el trastorno químico podría conducir a comportamientos físicos cualitativamente nuevos ".