Materiales a nanoescala con propiedades a medida
Los nanomateriales tienen estructuras en la escala de átomos y moléculas, lo cual les confiere nuevas funcionalidades que no se observan en los mismos constituyentes en forma masiva. La necesidad de describir las distintas escalas de longitud, los comportamientos asociados y los efectos clásicos y cuánticos representa un gran desafío. El proyecto «Modeling of nano-scaled advanced materials intelligently» (MONAMI), financiado por la Unión Europea, se enfrentó a este desafío mediante el desarrollo de modelos multiescala para describir los comportamientos electrónicos, atomísticos, mesoscópicos y macroscópicos. Estos modelos se usaron para investigar y predecir comportamientos relacionados con el nanomagnetismo, la estructura de electrones correlacionada y los fenómenos de no equilibrio, entre otros. A escala electrónica, los métodos mecánico-cuánticos describen el comportamiento de los electrones y su relación con la estructura y la función de los materiales. Las moléculas, pequeñas partículas o puntos cuánticos se modelizan como una colección de unos pocos electrones que interactúan entre ellos. En el caso de cientos hasta miles de átomos, como sucede en grandes estructuras moleculares o nanotubos, los científicos combinan lo mejor de las teorías sobre estructuras electrónicas y la física de n-cuerpos dentro de una teoría de campo medio dinámico (DMFT) integrada. Para describir el comportamiento de nanosistemas a nivel atómico, se utilizan distintas herramientas de mecánica clásica y mecánica molecular con el fin de simular el comportamiento de los materiales en escalas de nanómetros a micras independientemente de los comportamientos electrónicos cuánticos. A escala mesoscópica, los detalles rápidos de los movimientos atómicos dan lugar a modelos de grano grueso de los movimientos esenciales y las estructuras a gran escala. No obstante, el modelo desarrollado de grano grueso se construye a partir de datos de simulación atomística de modo que la información importante de estructura a nivel atómico se propaga a través del modelo hasta la representación de grano grueso correspondiente. Finalmente, puesto que mil átomos son solo unos dos nanómetros de longitud y la mayoría de los fenómenos de transporte de interés abarcan longitudes mucho mayores, los científicos usaron un nuevo método de estudio del transporte a escalas mayores de longitud. Este método se desarrolló dentro del ámbito del proyecto para modelos a escala macroscópica que describen el comportamiento masivo de materiales fabricados. MONAMI logró desarrollar modelos multiescala complejos e integrados de nanomateriales y nanosistemas y los aplicó a distintos materiales que es probable que tengan un impacto importante sobre futuros productos y dispositivos. Ser capaces de describir en detalle las propiedades de los materiales desde su forma masiva hasta el nivel electrónico será indispensable para diseñar nuevas funcionalidades.
