La base de datos de materiales demuestra su valía con nuevos descubrimientos

Tratar de encontrar nuevos materiales para mejorar el rendimiento de cualquier cosa, desde microchips hasta carrocerías, siempre ha sido un proceso de prueba y error. El científico de materiales del MIT, Gerbrand Ceder, lo compara con partir de Boston hacia California, sin mapa ni sistema de navegación, y a pie.



Pero, dice, después de siglos de hacer investigación de materiales a la antigua, se está produciendo una revolución significativa, gracias a una base de datos computarizada masiva y un sistema de simulación que puede clasificar miles de materiales potenciales en el tiempo que antes podría haber tomado estudiar. solo uno. El sistema se llama Proyecto de Materiales; aunque solo tiene unos tres años, ya ha producido nuevos descubrimientos importantes.

Ejemplos de materiales descubiertos mediante una nueva técnica: Los compuestos que contienen litio llamados sidorenkitas se identificaron como materiales de cátodos de batería potenciales a través de una exploración computacional de alto rendimiento. No existen en la naturaleza materiales que contengan litio con los grupos químicos CO3 y PO4 que se encuentran en estos compuestos; estos materiales son completamente sintéticos e inesperados. Dependiendo del metal específico que contengan, adquieren distintos colores (como se muestra aquí). Foto cortesía de los investigadores.



Por ejemplo, los investigadores que utilizaron las herramientas en línea del Materials Project encontraron tipos completamente nuevos de materiales conductores transparentes, una clase crucial para los dispositivos con pantallas táctiles, como los teléfonos inteligentes, que no existen en la naturaleza y cuya existencia no se había predicho. Otros han utilizado el sistema para encontrar nuevos materiales que puedan encontrar usos en electrodos y semiconductores de baterías.



Hay un total de unos 35.000 compuestos inorgánicos conocidos, dice Ceder; casi todos están incluidos en la base de datos del Proyecto de Materiales.Los datos también incluyen miles de compuestos desconocidos que no existen en la naturaleza y aún no se han sintetizado en el laboratorio, pero cuyas características básicas se pueden predecir utilizando cálculos complejos basados ​​en la teoría de la mecánica cuántica. La visión es crear un compendio de las características de los materiales: conductividad eléctrica, estructura cristalina, dureza, estabilidad, etc.

Ceder y sus colegas del MIT y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) han descrito este nuevo enfoque, al que llaman diseño de materiales computacionales de alto rendimiento, en artículos recientes en Scientific American y APL Materials. Su trabajo ha inspirado a la Casa Blanca a lanzar un esfuerzo nacional, ahora llamado Iniciativa Genoma de Materiales (el nombre inicial del proyecto liderado por MIT y LBNL), para difundir el nuevo enfoque a instituciones de todo el país.

Sabemos muy poco sobre el mundo de los compuestos químicos que nos rodea, dice Ceder, profesor de ciencia e ingeniería de materiales Richard P. Simmons. Si elige un compuesto al azar de los que conocemos y pregunta: '¿Qué tan difícil es? ¿Es un buen director? Que color tiene ¿Está rígido? ', No sabría la respuesta. Una estimación aproximada, dice, es que conocemos menos del 1 por ciento de las propiedades de los compuestos que nos rodean.



Y eso es solo contando las propiedades básicas, dice Ceder: el conocimiento es aún más escaso en lo que respecta al comportamiento de la ingeniería: el conocimiento más detallado, como la durabilidad bajo estrés o la susceptibilidad a la corrosión, necesarios para elegir un material para una aplicación específica. El plan para construir una base de datos completa de las propiedades de los materiales, dice, sienta las bases, tanto como el Proyecto Genoma Humano ha establecido un conocimiento básico sobre la base genética de las características humanas.

Muchas de estas propiedades ahora se pueden calcular, dice Ceder. El objetivo del Proyecto de Materiales, durante los próximos años, es simplemente calcular estas propiedades para todos los compuestos conocidos y algunos desconocidos. Con esa información, los ingenieros podrían usar una computadora para examinar miles de materiales para una aplicación en particular, en función de las propiedades específicas que se necesitan.

Por ejemplo, Procter & Gamble pidió a Ceder y sus colegas que examinaran todos los materiales posibles para un nuevo electrodo para las baterías Duracell de la empresa. El equipo pudo analizar 130.000 compuestos reales o hipotéticos, y diseñó una lista de 200 que cumplían con los criterios deseados y que tenían el potencial de funcionar mejor que los materiales que se utilizan ahora. Otra empresa utilizó el sistema para descubrir un nuevo catalizador para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno; un tercero lo utilizó para encontrar un nuevo material que se utilizaría en chips de memoria de computadora.



La esperanza es que dentro de cinco a 10 años, la base de datos contendrá información sobre las propiedades básicas de todos los compuestos que pueden existir. Eso tomará unos pocos millones de horas de CPU en los próximos años, dice Ceder, lo que parece mucho, pero en realidad es una cantidad relativamente pequeña en comparación con algunas tareas computacionalmente intensivas como el modelado climático o la simulación de explosiones, dice.

Esto, dice, permitiría a los científicos de materiales modernos progresar desde algo parecido a los exploradores del siglo XVI, tratando de aprender sobre un continente sin mapas ni brújulas, a los viajeros de hoy, con sus dispositivos GPS.

Ya no nos perdemos, dice Ceder. Pero al igual que con los mapas, el Proyecto de materiales no le dice a dónde ir, solo le dice cómo llegar allí: todavía depende de usted decidir qué propiedades necesita.



Geoffroy Hautier, científico investigador de la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica, dice: La forma tradicional de desarrollar materiales es a menudo muy empírica y se basa mucho en la serendipia y la intuición. Pero con el Materials Project, que Hautier y sus colegas han utilizado para descubrir nuevos materiales conductores transparentes, la computación de alto rendimiento proporciona una tremenda aceleración a todo el proceso.

Estoy seguro de que habrá aplicaciones en las que nunca pensamos porque no teníamos la experiencia para decir que esta propiedad específica era importante para esta aplicación específica, agrega Hautier.

El sitio web gratuito ya tiene 5.000 suscriptores, aproximadamente un tercio de los cuales pertenecen a la industria. En el mundo de la ciencia de los materiales, ese es un número muy grande, dice Ceder. El resultado neto es que ahora es posible desarrollar materiales para aplicaciones reales en tan solo dos años, en comparación con los 15 a 20 años que utilizan los métodos tradicionales. Creemos que estamos entrando en una era dorada del diseño de materiales, dice.

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