Simulación avanzada de materiales

El desarrollo de métodos computacionales, además de ser una nueva forma de hacer ciencia, es fundamental para el estudio de sistemas complejos de materiales y de aplicaciones biológicas y médicas, entre otras, lo que permite acceder cada vez más a la complejidad y propiedades de dichos materiales.

El diseño de nuevos materiales es vital por su demanda diaria: automóviles, equipo de cómputo y médico, etcétera. Esto lo asegura Grisell Díaz Leines, doctora en física por la Universidad de Ámsterdam, especialista en simulación avanzada de materiales y miembro fundador de la Red de Talentos Mexicanos en el Exterior, Red Global MX (RGMX) capítulo Países Bajos, quien habló del tema para la Agencia Informativa Conacyt.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cuándo inició esta línea de investigación y cuál es el objetivo que persigue?

Grisell Díaz Leines (GDL): Tengo esta especialidad desde la maestría porque empecé con una maestría en simulación atomística en Europa. El mayor fin que tiene la investigación es desarrollar métodos para estudiar sistemas muy complejos, me refiero a materiales o biomoléculas. El estudio que hacemos es a nivel atomístico, es fundamental porque de ahí se pueden obtener muchas propiedades de estos sistemas.

AIC: ¿Qué tipo de materiales?

GDL: En la estancia que estoy haciendo ahora, la propuesta que escribí para mi posdoctorado es sobre aleaciones metálicas en níquel, y el punto de vista que estamos tomando para estudiarlas es a nivel atomístico, que de ahí, debido a que sabemos la existencia de las propiedades del átomo y las fuerzas, podemos predecir propiedades de materiales a partir de un estudio fundamental y estadístico, mediante la simulación computacional de estos.

Por ejemplo, si el níquel está sujeto a varias condiciones de temperatura o de presión, hay normalmente cambios de fase de sólido a líquido, y muchas veces hay defectos en el material donde también ocurren cambios de fase y, dependiendo de la aplicación, comúnmente necesitamos que el material tenga cierta resistencia.

El níquel es un material resistente a altas temperaturas y se usa mucho en las turbinas de aviones, por lo que es muy importante predecir el tipo de cambio de fase y de propiedades que va a desarrollar cuando se somete a esas temperaturas tan altas. Obviamente eso es más a nivel ingenieril, cuando ya lo están aplicando, pero se necesita del estudio de sus propiedades fundamentales para hacer, por ejemplo, una base de datos que permita predecir qué va a pasar con el material en dichas aplicaciones.

Lo que estoy haciendo, desde el punto de vista de la física, es tratar de hacer simulaciones de materiales complejos porque tenemos varios retos, por ejemplo: si estás simulando todos los átomos de un material, obviamente tienes algunos obstáculos para modelar materiales muy grandes, de millones de átomos y toma muchísimo tiempo en la computadora si quieres calcular todas las fuerzas y propiedades de la materia. Lo que hago, desde el doctorado, es desarrollar métodos que permitan acceder a estos sistemas complejos en escalas de tiempo razonables y que no se necesite esperar muchísimos años para tener resultados de la computadora, sino que podamos obtener las propiedades en días u horas.

AIC: ¿Cómo ocurre la simulación avanzada de materiales?

GDL: Es un experimento virtual, tiene condiciones iniciales y evoluciona en cierta trayectoria. El níquel, por ejemplo, en estado sólido, es como un arreglo de átomos que están en diferentes estructuras, por ejemplo cúbicas, donde los átomos están localizados en los vértices de un cubo. La simulación empieza si se pone una estructura inicial que es como una foto de los átomos en diferentes posiciones.

Como sabemos por las leyes de la física —la dinámica clásica de Newton y la mecánica cuántica—, podemos calcular las fuerzas e interacciones entre átomos; cuando lo hacemos y empezamos a simular el tiempo, predecir la trayectoria de un material, por ejemplo, lo que tenemos es una película del material en el tiempo, los átomos interactúan entre ellos y evolucionan en cierta temperatura que también se puede controlar con simulaciones de termostatos y a cierta presión, que a su vez simulamos con baróstatos. Así tenemos la película de la trayectoria que seguiría el material a nivel atomístico con el tiempo. A eso le llamamos dinámica molecular.

AIC: ¿Qué otros beneficios se pueden obtener con la simulación avanzada de materiales?

GDL: Se está aplicando a muchísimas cosas; se pueden estudiar dislocaciones y defectos, por ejemplo, a veces los materiales se quiebran cuando se someten a diferentes presiones o temperaturas. Lo que hacen algunos colegas es simular la dinámica de todos los átomos y observar cómo sucede la nucleación en un defecto que empieza a crecer y crecer hasta que de repente se funde o se rompe el material.

Si se quiere diseñar materiales en medicina o en cualquier área, también se requiere saber cómo reaccionan en diferentes condiciones y su resistencia. De hecho, también hay materiales biológicos que se están haciendo con nanotecnologías, y se necesita predecir cuándo van a fallar, o diseñar materiales nuevos.

Yo hago esto a nivel atomístico, y en mi grupo se están estudiando diferentes aleaciones, no solo de níquel, también de titanio, cobre, aluminio, magnesio, y se están haciendo otros modelos a diferentes escalas de tiempo y tamaño. En general, mi grupo se dedica a aleaciones de diferentes metales y las aplicaciones son variadas. La aplicación fundamental de mi proyecto es para materiales de alta resistencia a temperaturas elevadas. Mencionaba la aeronáutica porque cuando hay un despegue las temperaturas pueden incrementarse bastante, y si el material se funde, tendríamos accidentes.

Pero en general hay muchos materiales: en medicina para hacer equipos, o tan solo para poner amalgamas; en transporte, en las llantas, por ejemplo; y todos necesitan un estudio apropiado. Si nosotros podemos acceder a predecir qué es lo que pasa con un material cuando está en diferentes condiciones ambientales, se puede aplicar en todas las áreas.

AIC: ¿Cuánto tiempo lleva desarrollando esta línea de investigación?

GDL: El proyecto posdoctoral lo inicié en 2014, y empecé con una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) para hacer una estancia posdoctoral en el extranjero. Ahora obtuve un financiamiento de la Fundación Alemana para la Investigación Científica (DFG, por sus siglas en alemán). Ya tenemos los primeros resultados de la transformación de sólido a líquido en níquel puro, porque es realmente fundamental su investigación. Estoy investigando la nucleación de la fase sólida en el líquido durante la transformación de fase y aplicando el método que desarrollé en el doctorado y otros métodos de mi grupo en Ámsterdam. Hasta ahora los resultados han sido exitosos y estamos preparándolos para publicarlos.

AIC: ¿Tiene colaboración con México en particular?

GDL: No, hasta ahora no. Estoy participando en Enlace MX porque tengo diferentes proyectos con mi jefa, puedo recibir a estudiantes de maestría para trabajar en técnicas avanzadas de simulación de materiales y metí algunos proyectos.

También tenemos colaboraciones con Ámsterdam, con un grupo del Max Planck de Düsseldorf y se está abriendo una colaboración con un grupo experimental en Alemania, para comparar nuestros resultados. Entonces, sí estamos trabajando con varios colaboradores, pero principalmente quiero conectarme siempre con México, por eso espero que con la nueva iniciativa JUUB Mexican Scientists Network se pueda realizar esto.

Hay realmente poco de los métodos que estamos empleando, están siendo desarrollados en Holanda, Inglaterra y Estados Unidos, pero todavía no son tan utilizados, por eso lo que estamos haciendo también en el proyecto es desarrollar software, para hacerlo accesible a las personas que usan dinámica molecular; espero poder ponerlo a disposición el próximo año y que se pueda usar en México.

La idea de mi asesora, porque la invité hace un par de años a México y fuimos a la universidad a hablar con mis profesores, es que tal vez más adelante se pueda hacer un workshop de técnicas avanzadas de simulación en el país.

AIC: ¿Qué futuro visualiza para la investigación?

GDL: Espero que empecemos a estudiar, el próximo año, un poco más los defectos en materiales, que son muy importantes para predecir rupturas y que se puedan aplicar al diseño de diferentes materiales metálicos. Eso por un lado, y también seguir en área de big data.

Pero, para mi área, que es más especializada en desarrollar métodos, espero que el método que desarrollé en el doctorado se pueda adaptar a un sistema complejo. Creo que se necesitan métodos siempre, las personas también necesitan saber cuál usar y que esté accesible, para que no tengan que programarlo cada vez que se necesita.

Esto favorece que estudiemos sistemas cada vez más grandes, por ejemplo: ahora tenemos ocho mil átomos, pero un material tiene millones, la idea es poder lograr acceder a escalas de tiempo de los átomos y a escalas de tamaño que nos permitan hacer proyecciones más realistas. El desarrollo de métodos toma tiempo para llevarse a cabo, pero, si funciona y se puede aplicar a sistemas complejos, puede tener mucho éxito. Ese es mi ideal, no sé qué tan rápido ha ido, pero por ahora ya publicamos el método, espero que en unos años se pueda difundir un poco más y sea utilizado por la comunidad científica.

Fuente: CONACYT.