Materiali in nanoscala con proprietà ad hoc
I nanomateriali hanno strutture su scala di atomi e molecole che forniscono loro funzionalità non presenti negli stessi elementi in fase massiva. La necessità di descrivere varie scale di lunghezza, comportamenti ed effetti classici e quantistici rende la modellazione estremamente impegnativa. Il progetto MONAMI ("Modeling of nano-scaled advanced materials intelligently"), finanziato dall'UE, si è mostrato all'altezza della sfida attraverso lo sviluppo di modelli multiscala a rappresentazione di comportamenti elettronici, atomistici, mesoscopici e macroscopici. Gli scienziati li hanno utilizzati per analizzare e prevedere comportamenti correlati al nanomagnetismo, alla struttura a elettroni correlati e ai fenomeni di non equilibrio, ma non solo. Sul piano elettronico, i metodi di meccanica quantistica descrivono i comportamenti degli elettroni e la loro relazione con la struttura e la funzione di un materiale. Molecole, piccole particelle o punti quantici vengono modellati come una collezione di alcuni elettroni interagenti. Per centinaia o migliaia di atomi, come nel caso di grandi strutture molecolari o nanotubi, gli scienziati mettono insieme il meglio delle teorie sulla struttura degli elettroni e della fisica a molti corpi in una teoria di campo medio dinamico integrata (DMFT, Dynamical Mean Field Theory). Per descrivere il comportamento dei nanosistemi a livello atomistico, vari strumenti di meccanica classica e di meccanica molecolare simulano il comportamento dei materiali su scale da nanometri a micron, indipendentemente dai comportamenti dell'elettronica quantistica. Su scala mesoscopica, i dettagli sulla velocità dei moti atomici lasciano il posto a modelli a grana grossa di moti essenziali e strutture su larga scala. Tuttavia, il modello a grana grossa sviluppato è elaborato a partire da dati sulla simulazione atomistica in modo tale che le informazioni importanti sulla struttura a livello atomico vengano propagate attraverso il modello nella corrispondente rappresentazione a grana grossa. Infine, poiché 1 000 atomi presentano una lunghezza di soli 2 nanometri circa e la maggior parte dei fenomeni di trasporto degni di interesse coprono lunghezze di gran lunga superiori, gli scienziati hanno utilizzato un nuovo metodo che prevede lo studio del trasporto su scale di lunghezza maggiore. Questo metodo è stato sviluppato nell'ambito di applicazione del progetto per modelli su scala macroscopica che descrive comportamenti di materiali prodotti in fase massiva. Il progetto MONAMI ha fornito modelli multiscala di nanomateriali e nanosistemi complessi e integrati e li ha applicati a numerosi materiali ritenuti in grado di produrre un impatto importante su prodotti e dispositivi futuri. Fornendo un quadro completo delle proprietà dei materiali dalla forma massiva al livello di elettrone, tali modelli saranno indispensabili per elaborare nuove funzionalità.
