Un equipo de investigación conjunto dirigido por Yuuki Kubo y Shiji Tsuneyuki de la Universidad de Tokio ha desarrollado un nuevo método computacional que puede determinar de manera eficiente la estructura cristalina de materiales multifásicos, polvos que contienen múltiples tipos de estructura cristalina. El método puede predecir la composición a partir de patrones de difracción de rayos X del polvo, los patrones de rayos X que pasan a través de cristales aproximadamente del mismo tamaño que las partículas de café instantáneo. A diferencia de los métodos convencionales, este método no requiere el uso de “constantes de red” y puede aplicarse a datos experimentales existentes que aún no han sido analizados. Por lo tanto, los nuevos métodos son un recurso importante para descubrir nuevas fases materiales y desarrollar nuevos materiales. Se publican los resultados La revista de física química.
Muchos materiales pueden tener varias estructuras cristalinas, “fases”, incluso en el mismo estado sólido. Determinar las estructuras cristalinas subyacentes de los materiales es esencial para comprender sus propiedades y desarrollar estrategias para desarrollar nuevos materiales. Sin embargo, los métodos convencionales calculan utilizando la “constante de red”, que es una propiedad del cristal que se investiga. En otras palabras, se requiere conocimiento de los cristales antes de determinar su estructura. Esto dificulta el análisis de los datos experimentales existentes cuando la constante de red no se conoce con precisión. Por lo tanto, los datos ya existentes pueden contener estructuras cristalinas no descubiertas y ocultas a simple vista.
“Las estructuras cristalinas en el mundo real son extremadamente diversas. Son uno de los misterios más profundos de la naturaleza”, dijo Kubo, primer autor del artículo. “Pensamos que, en cierto modo, podríamos vislumbrar las profundidades de los misterios de la naturaleza desarrollando nuestros propios métodos para determinar estructuras cristalinas desconocidas”.
Los métodos convencionales utilizan métodos diferentes y son computacionalmente costosos. Para reducir los costos computacionales, los investigadores se propusieron desarrollar un método que pudiera hacer predicciones basadas directamente en datos experimentales. Desarrollaron su modelo basándose en la dinámica molecular, simulando el movimiento atómico calculando las fuerzas entre los átomos. Luego, al incluir datos experimentales de difracción de rayos X, aumentan la concordancia entre los datos experimentales y las simulaciones.
“No creíamos que este enfoque fuera prometedor”, dijo Kubo. “Nos sorprendimos cuando realizamos cálculos de prueba y el método funcionó mucho mejor de lo que esperábamos inicialmente”.
Los investigadores confirmaron la eficacia de su método aplicándolo a materiales ampliamente estudiados. El método reprodujo con éxito las distintas estructuras cristalinas tanto del carbono (grafito y diamante) como del dióxido de silicio (bajo en cuarzo, bajo en cristobalita y coesita). Funcionó. Sin embargo, Kubo ya está pensando en muchos posibles próximos pasos.
“Planeamos aplicar este método a datos experimentales de difracción de polvo que no se utilizan debido a determinaciones estructurales fallidas, con el objetivo de descubrir nuevas fases de materiales. Además, pretendemos desarrollar métodos que integren experimentos y simulaciones para determinar no sólo la estructura cristalina sino también las estructuras. de Superficies e Interfaces.”