Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego, en colaboración con el Proyecto de Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, han creado la base de datos más grande del mundo de superficies y formas de cristal elemental hasta la fecha. Apodado Crystalium, este nuevo código abiertola base de datos puede ayudar a los investigadores a diseñar nuevos materiales para tecnologías en las que las superficies y las interfaces juegan un papel importante, como las celdas de combustible, los convertidores catalíticos en automóviles, microchips de computadora, nanomateriales y baterías de estado sólido.
"Este trabajo es un punto de partida importante para estudiar las superficies e interfaces del material, donde se pueden encontrar muchas propiedades novedosas. Hemos desarrollado un nuevo recurso que se puede utilizar para comprender mejor la ciencia de la superficie y encontrar mejores materiales para la superficietecnologías ", dijo Shyue Ping Ong, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego y autor principal del estudio.
Por ejemplo, el rendimiento de la pila de combustible está influenciado en parte por la reacción de moléculas como el hidrógeno y el oxígeno en las superficies de los catalizadores metálicos. Además, las interfaces entre los electrodos y el electrolito en una batería recargable de iones de litio albergan una variedad de reacciones químicas quepuede limitar el rendimiento de la batería. El trabajo en este estudio es útil para estas aplicaciones, dijo Ong, quien también es parte de un esfuerzo mayor del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego para diseñar mejores materiales de batería.
"Los investigadores pueden usar esta base de datos para determinar qué elementos o materiales tienen más probabilidades de ser catalizadores viables para procesos como la producción de amoníaco o la producción de gas hidrógeno a partir del agua", dijo Richard Tran, un estudiante de doctorado en nanoingeniería en el Laboratorio Virtual de Materiales de Ong y elprimer autor del estudio. Tran hizo este trabajo cuando era estudiante de la Universidad de California en San Diego.
El trabajo, publicado el 13 de septiembre en la revista Datos científicos , proporciona las energías de superficie y las formas de cristal de equilibrio de más de 100 polimorfos de 72 elementos en la tabla periódica. La energía de superficie describe la estabilidad de una superficie; es una medida del exceso de energía de los átomos en la superficie en relación con los deel material a granel. Conocer las energías de la superficie es útil para diseñar materiales que realicen sus funciones principalmente en sus superficies, como catalizadores y nanopartículas.
Las energías superficiales de algunos elementos en su forma de cristal se han medido experimentalmente, pero esta no es una tarea trivial. Se trata de derretir el cristal, medir la tensión superficial del líquido resultante a la temperatura de fusión y luego extrapolar ese valor a la temperatura ambienteEste proceso también requiere que la muestra tenga una superficie limpia, lo cual es un desafío porque otros átomos y moléculas como el oxígeno y el agua pueden adsorberse fácilmente en la superficie y modificar la energía de la superficie.
Las energías de superficie obtenidas por este método son valores promediados que carecen de la resolución específica de faceta que es necesaria para el diseño, dijo Ong. "Esta es una de las áreas donde el 'laboratorio virtual' puede crear el mayor valor, permitiéndonoscontrolar con precisión los modelos y las condiciones de una manera que es extremadamente difícil de hacer en experimentos ".
Además, la energía de la superficie no es solo un número para cada cristal porque depende de la orientación del cristal. "Un cristal es una disposición regular de átomos. Cuando cortas un cristal en diferentes lugares y en diferentes ángulos, expones diferentesfacetas con arreglos únicos de átomos ", explicó Ong, quien imparte el curso NANO106 - Cristalografía de materiales en UC San Diego.
Para llevar a cabo este ambicioso proyecto, Ong y su equipo desarrollaron flujos de trabajo automatizados altamente sofisticados para calcular las energías superficiales a partir de los primeros principios. Estos flujos de trabajo se basan en la popular biblioteca de código abierto Python Materials Genomics y los códigos de flujo de trabajo de FireWorks del Proyecto Materiales, quefueron coautores de Ong.
"Las técnicas para calcular las energías de superficie se conocen desde hace décadas. El mayor logro es la codificación de cómo generar modelos de superficie y ejecutar estos cálculos complejos de manera robusta y eficiente", dijo Tran. El código del software de generación de modelos de superficie desarrolladoel equipo ya ha sido extendido por otros para estudiar sustratos e interfaces. Para los cálculos se utilizaron supercomputadoras potentes en el Centro de Supercomputadoras de San Diego y el Centro Nacional de Investigación Científica de Investigación Energética en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
El equipo de Ong trabajó con investigadores del Proyecto de Materiales del Laboratorio Berkeley para desarrollar y construir el sitio web de Crystalium. Cofundado y dirigido por el científico de Berkeley Lab Kristin Persson, el Proyecto de Materiales es una base de datos similar a Google de propiedades de materiales calculadas por supercomputadoras.
"El Proyecto de Materiales fue diseñado para ser una herramienta abierta y accesible para que los científicos e ingenieros aceleren la innovación de materiales", dijo Persson. "En cinco años, ha atraído a más de 20,000 usuarios que trabajan en todo, desde baterías hasta energía fotovoltaica y termoeléctrica,y es extremadamente gratificante ver a científicos como Ong que brindan gran cantidad de datos computarizados de alta calidad de gran interés y que están disponibles de forma gratuita y de fácil acceso para el público ".
Los investigadores señalaron que su base de datos es la colección más extensa de energías de superficie calculadas para sólidos cristalinos elementales hasta la fecha. En comparación con las compilaciones anteriores, Crystalium contiene energías de superficie para muchos más elementos, incluidos metales y no metales, y para másfacetas en cada cristal. Los elementos que han sido excluidos de sus cálculos son gases y elementos radiactivos. En particular, Ong y su equipo han validado sus energías superficiales calculadas con las de los experimentos, y los valores están en excelente acuerdo.
En adelante, el equipo trabajará para expandir el alcance de la base de datos más allá de elementos individuales a compuestos de elementos múltiples como aleaciones, que están hechas de dos o más metales diferentes, y óxidos binarios, que están hechos de oxígeno y otro elementoTambién se están realizando esfuerzos para estudiar el efecto de los adsorbatos comunes, como el hidrógeno, en las energías superficiales, que es clave para comprender la estabilidad de las superficies en medios acuosos.
"A medida que continuamos construyendo esta base de datos, esperamos que la comunidad investigadora la vea como un recurso útil para el diseño racional de la superficie objetivo o las propiedades de la interfaz", dijo Ong
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Liezel Labios. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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