Como dijo una vez Francis Crick, uno de los grandes científicos de Gran Bretaña: "Si quieres comprender la función, estudia la estructura". Dentro del ámbito de la física química, un claro ejemplo de esto son las dos formas de carbono: el diamante y el grafitoSi bien difieren solo en la disposición atómica de los átomos de un solo elemento, sus propiedades son bastante diferentes.
Las diferencias entre las propiedades de elementos aparentemente similares de una "familia" pueden ser interesantes. El carbono, el silicio, el germanio, el estaño y el plomo son parte de una familia que comparte la misma estructura de sus electrones más externos, pero que van desde actuar como aislantescarbono a semiconductores silicio y germanio a metales estaño y plomo.
¿Es posible entender estas y otras tendencias dentro de las familias de elementos? En un artículo de esta semana en El diario de la física química , de AIP Publishing, un grupo de investigadores del Instituto Peter Grünberg PGI en Alemania, y la Universidad Tecnológica de Tampere y la Universidad Aalto en Finlandia, describen su trabajo probando la relación entre la estructura disposición de los átomos y la función físicapropiedades de una forma de metal líquido del elemento bismuto.
"Hay relativamente pocos elementos, menos de 100, estables, lo que significa que sus tendencias son a menudo más fáciles de discernir que las de aleaciones y compuestos de varios elementos", dijo Robert O. Jones, científico de PGI.
El trabajo actual del grupo estuvo motivado en gran medida por la disponibilidad de datos experimentales de alta calidad - dispersión inelástica de rayos X IXS y difracción de neutrones - y la oportunidad de compararlo con los resultados de otros líquidos de la familia de nitrógeno del Grupo 15fósforo, arsénico, antimonio y bismuto. El fósforo parece tener dos fases líquidas, y la forma amorfa de antimonio obtenida al enfriar el líquido se cristaliza de forma espontánea y explosiva.
Sus estudios estructurales utilizan extensas simulaciones numéricas ejecutadas en una de las supercomputadoras más poderosas del mundo, JUQUEEN, en Jülich, Alemania.
"Estamos estudiando el movimiento de más de 500 átomos a temperaturas específicas para determinar las fuerzas en cada átomo y la energía total usando cálculos funcionales de densidad", explicó Jones. "Este esquema, por el cual Walter Kohn recibió el Nobel de 1998El premio en química no involucra parámetros ajustables y ha dado predicciones valiosas en muchos contextos. "Si bien la teoría funcional de la densidad es en principio exacta, es necesario utilizar una función aproximada".
Las posiciones y velocidades de cada átomo, por ejemplo, se "almacenan en cada paso de una simulación de 'dinámica molecular', y usamos esta información para determinar las cantidades que se pueden comparar con el experimento", continuó. "Es importantetenga en cuenta que algunas cantidades dadas directamente por la simulación, como las posiciones de los átomos, solo pueden inferirse indirectamente del experimento, de modo que los dos aspectos son realmente complementarios ".
Uno de sus resultados más sorprendentes y agradables fue "el excelente acuerdo con los resultados recientes del IXS", dijo Jones. "Uno de los experimentadores involucrados señaló que el acuerdo de nuestros resultados con el IXS 'es realmente bastante hermoso', de modo que inclusopequeñas diferencias podrían proporcionar información adicional. En nuestra experiencia, es inusual encontrar un acuerdo tan detallado ".
En términos de aplicaciones, el trabajo del grupo "proporciona una confirmación adicional de que las simulaciones y los experimentos se complementan entre sí y que el nivel de acuerdo puede ser notablemente bueno, incluso para materiales 'reales'", señaló Jones. "Sin embargo, tambiénmuestra que las simulaciones extensas, costosas y que requieren mucho tiempo son esenciales para lograr un acuerdo detallado "
Jones y sus colegas han ampliado su enfoque a simulaciones aún más largas en antimonio líquido a ocho temperaturas diferentes, con el objetivo de comprender la naturaleza "explosiva" de la cristalización en antimonio amorfo Sb.
"También hemos realizado simulaciones de la cristalización de materiales de cambio de fase amorfos en la escala de tiempo, hasta 8 nanosegundos, que es físicamente relevante para DWD-RW y otros materiales de almacenamiento óptico", agregó, enfatizando que estos tiposLas simulaciones en las computadoras de hoy en día generalmente requieren muchos meses. "Sin embargo, muestran cuán valiosas pueden ser, y las perspectivas con las generaciones futuras de computadoras, con algoritmos aún mejor optimizados, son muy brillantes".
Las perspectivas de aplicaciones en otras áreas de la ciencia de los materiales son extremadamente buenas, pero el grupo ahora está dirigiendo su atención a los materiales de memoria de un tipo diferente, para los cuales la formación y desaparición de un puente conductor un filamento metálico en unEl electrolito sólido entre dos electrodos podría ser la base de futuros materiales de almacenamiento.
"Los detalles del mecanismo de formación de puentes son objeto de especulación, y esperamos proporcionar información sobre lo que realmente sucede", dijo Jones.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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