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Quantum Hydrodynamics: Applications to nanoplasmonics

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Nuevos métodos computacionales para estudiar materiales especiales

Un proyecto financiado con fondos europeos ha desarrollado métodos computacionales avanzados para estudiar las extraordinarias propiedades del carbono y de metales a nanoescala.

Investigación fundamental

En los últimos años, hemos asistido a un aumento considerable de los estudios sobre las propiedades electrónicas de nuevos materiales, sobre todo al recibir excitación por radiación electromagnética. Estos estudios se han centrado principalmente en explorar las propiedades del grafeno o de nanoobjetos (como nanocables, nanotubos o nanocarcasas) para poder modificarlos de modo que presenten las propiedades ópticas deseadas. Motivados por el entusiasmo generado al ver las interesantes propiedades que aparecen a pequeña escala, el proyecto QHYDRO, financiado con fondos europeos, ha desarrollado nuevos modelos y métodos para estudiar la dinámica cuántica de nanoobjetos con otros materiales poco comunes. Las nuevas técnicas son similares a las empleadas para estudiar la física de gases y fluidos. Eficacia y sencillez La tecnología moderna permite producir grandes cantidades de nanoobjetos de todo tipo. «Algunos de estos materiales especiales son objetos extremadamente pequeños, de menos de una millonésima de milímetro (nanómetro); un tamaño veinte veces superior al de un átomo de hidrógeno», indica Giovanni Manfredi, titular de una beca Marie Curie y líder del proyecto QHYDRO. Para entender y simular procesos dinámicos a nanoescala suele ser necesario emplear herramientas computacionales caras que se ejecutan en ordenadores de gran tamaño. Hasta la fecha, la teoría de Mie parecía ser el modelo ideal para describir las propiedades ópticas de las nanopartículas. Sin embargo, esta solución no toma en consideración los efectos cuánticos, que pueden resultar esenciales en nanoobjetos muy pequeños. Otros métodos tradicionales que los investigadores han utilizado para estudiar la respuesta de los electrones a la radiación electromagnética son la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo o el método de Hartree-Fock, pero ambos requieren mucho tiempo de ejecución y un gran volumen de almacenamiento en memoria. QHYDRO ha desarrollado y puesto en práctica métodos computacionales avanzados que se pueden ejecutar en ordenadores normales. A pesar de su sencillez, contienen la información necesaria para que los científicos arrojen más luz sobre la respuesta de los electrones a pulsos electromagnéticos o corrientes eléctricas. Los nuevos métodos no se basan en el modelo Mie, sino que permiten el estudio de geometrías más complejas y realistas, como las de las redes de nanopartículas que interactúan. Los investigadores se centraron especialmente en analizar las propiedades del alótropo de carbono y los nanoobjetos metálicos. El primer material estudiado fue el fullereno C60. Es el tipo de fullereno más conocido y consiste en 60 átomos de carbono dispuestos como un poliedro. «Una de las propiedades del fullereno es que tiene un núcleo hueco, lo que le proporciona unas propiedades electrónicas extraordinarias cuando recibe la radiación de la luz. Hasta cierto punto, pueden absorber y reflejar la luz igual que los metales», explica Manfredi. El equipo del proyecto también estudió nanocarcasas de oro y sodio. Estas son nanoobjetos más grandes que el fullereno, con unos diámetros que oscilan entre los 10 y 100 nm. Aplicaciones potenciales Los nanomateriales con propiedades útiles son ideales para la computación de altas prestaciones y las aplicaciones electrónicas. Manfredi señala: «Los nanoobjetos son especiales porque traspasan la barrera entre el mundo macroscópico y cuántico, donde predominan la física newtoniana y la mecánica cuántica». Tienen la capacidad de procesar, transmitir y almacenar grandes cantidades de información, así como de desarrollar filtros y guías de onda. Además, pueden impulsar avances en el campo de la medicina; por ejemplo, actuando como portadoras de medicamentos, mejorando la radioterapia, acelerando los diagnósticos o perfeccionando los sensores biomédicos.

Palabras clave

QHYDRO, nanoobjeto, fullereno, electromagnético, método computacional, nanocarcasa, fluido, dinámica cuántica

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