Un nuevo modelo matemático ayuda a predecir los pequeños cambios en los materiales basados ​​en carbono que podrían producir propiedades interesantes.

Los científicos de la Universidad de Tohoku y sus colegas en Japón han desarrollado un modelo matemático que abstrae los efectos clave de los cambios en las geometrías del material de carbono y predice sus propiedades únicas.

Los detalles fueron publicados en la revista. Carbón .

Los científicos generalmente usan modelos matemáticos para predecir las propiedades que pueden surgir cuando un material cambia de cierta manera. Cambiar la geometría del grafeno tridimensional (3D), que está hecho de redes de átomos de carbono, añadiendo productos químicos o introduciendo defectos topológicos, puede mejorar sus propiedades catalíticas, por ejemplo. Pero ha sido difícil para los científicos entender por qué sucede esto exactamente.

El nuevo modelo matemático, llamada realización estándar con interacción repulsiva (SRRI), revela la relación entre estos cambios y las propiedades que surgen de ellos. Lo hace usando menos potencia computacional que el modelo típico empleado para este propósito, llamada teoría funcional de la densidad (DFT), pero es menos exacto.

Con el modelo SRRI, los científicos han refinado otro modelo existente mostrando las fuerzas atractivas y repulsivas que existen entre átomos adyacentes en materiales basados ​​en carbono. El modelo SRRI también tiene en cuenta dos tipos de curvatura en dichos materiales:curvaturas locales y curvatura media.

Los investigadores, dirigido por el matemático de la Universidad de Tohoku, Motoko Kotani, utilizaron su modelo para predecir las propiedades catalíticas que surgirían cuando se introdujeran curvaturas locales y dopantes en el grafeno 3D. Sus resultados fueron similares a los producidos por el modelo DFT.

"La precisión del modelo SRRI mostró un acuerdo cualitativo con los cálculos de DFT, y es capaz de filtrar materiales potenciales aproximadamente mil millones de veces más rápido que DFT, "dice Kotani.

A continuación, el equipo fabricó el material y determinó sus propiedades utilizando microscopía de celda electroquímica de barrido. Este método puede mostrar un vínculo directo entre la geometría del material y su actividad catalítica. Reveló que los sitios catalíticamente activos se encuentran en las curvaturas locales.

"Nuestro modelo matemático se puede utilizar como una herramienta de preselección eficaz para explorar nuevos materiales de carbono 2-D y 3D en busca de propiedades únicas antes de aplicar el modelado DFT, ", dice Kotani. Esto muestra la importancia de las matemáticas para acelerar el diseño de materiales".

A continuación, el equipo planea usar su modelo para buscar vínculos entre el diseño de un material y sus propiedades mecánicas y de transporte de electrones.