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Computación

Acelerando el diseño de materiales

Un nuevo programa de ordenador predice con precisión el comportamiento de materiales propuestos, lo que implica un desarrollo más rápido de nuevos aparatos electrónicos y células fotoeléctricas.

  • por Katherine Bourzac | traducido por Lía Moya (Opinno)
  • 25 Agosto, 2011

Un compuesto químico diseñado con la ayuda de un programa de ordenador creado en Harvard ha resultado ser uno de los mejores materiales orgánicos electrónicos que se ha creado hasta la fecha. Este nuevo material, un semiconductor orgánico, podría usarse para hacer nuevos aparatos electrónicos como coloridas pantallas enrollables. Es una importante demostración del uso de ordenadores para ayudar a diseñar materiales.

Los semiconductores orgánicos podrían permitir la fabricación de aparatos electrónicos más baratos y ligeros que adopten nuevas formas, como pantallas flexibles y células fotoeléctricas impresas. También se espera que estos materiales extiendan el uso de la energía solar, porque debería ser más barato fabricar células fotoeléctricas partiendo de ellos en lugar de silicio y otros materiales inorgánicos. Pero en las décadas en que los químicos llevan trabajando con los semiconductores orgánicos, el progreso ha sido lento y estos materiales han encontrado aplicaciones limitadas, como en células fotoeléctricas portátiles de corta vida. El principal problema es que estos materiales no conducen los electrones y los positrones (sus contrarios positivos), tan rápido como los semiconductores convencionales como el silicio, por lo que son mucho menos eficientes.

El nuevo semiconductor orgánico, pronosticado previamente mediante un programa de modelado por ordenador desarrollado por el profesor de química de la Universidad de Harvard (Estados Unidos, EE.UU.) Alán Aspuru-Guzik y sintetizado posteriormente por investigadores de la Universidad de Stanford (EE.UU.), conduce la carga mucho más rápido que el material de silicio que se usa en la mayoría de las pantallas electrónicas hoy en día. Eso significa que podría usarse para fabricar pantallas con más brillo que proporcionen imágenes más nítidas. Y el nuevo material es lo suficientemente rápido como para fabricar los componentes electrónicos para pantallas de diodos orgánicos de emisión de luz (OLED, por sus siglas en inglés) que se usan para los teléfonos móviles y las televisiones, o para controlar las etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID, por sus siglas en inglés) que sirven para hacer seguimientos.

Durante muchos años, los científicos han hablado del potencial del modelado por ordenador para acortar el proceso de desarrollo de materiales. Cuando los químicos desarrollan nuevos materiales, “la mayor parte del trabajo se basa en la intuición”, afirma Zhenan Bao, la profesora de ingeniería química de la Universidad de Stanford cuyo grupo creó y probó el nuevo material. Desafortunadamente, la intuición implica un proceso de ensayo y error, una nueva molécula que parece prometedora quizá no haga lo que los investigadores esperan. Al hacer un cribado previo de los materiales potenciales usando el programa de ordenador de Aspuru-Guzik, los químicos pueden centrarse en los meses o años necesarios para sintetizar el material y probar los nuevos compuestos que parezcan más prometedores.

El cribado por ordenador ha tenido mucho éxito en algunas áreas, incluyendo el almacenamiento de energía. Gerbrand Ceder, profesor en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) ha pronosticado, mediante el uso del ordenador, materiales de baterías que cargan más rápido y que actualmente se comercializan a través de la empresa A123 Systems. Hasta hace poco, los métodos de computación no se habían aplicado a la producción de mejores semiconductores orgánicos, que presentan una serie distinta de retos, según explica Aspuru-Guzik. Pero ahora los químicos teóricos han generado la suficiente cantidad de conocimiento de base y los químicos experimentales la cantidad suficiente de datos para obtener modelos de predicción que funcionan.

Aspuru-Guzik tomó como punto de partida un semiconductor orgánico denominado DTT, que ya había dado resultados prometedores en el laboratorio. Para empezar, el programa de ordenador generó varias variaciones posibles de esta gran molécula con base de carbón, añadiendo y quitando componentes. El programa entonces predijo cómo se comportarían estas variaciones y cribó todas las posibles variaciones para encontrar las más prometedoras, aquellas que parecía era más probable que condujeran cargas rápidamente. Estas predicciones se hicieron basándose en una enorme cantidad datos sobre cómo moléculas parecidas y piedras angulares moleculares han funcionado en experimentos previos y en la física y química teóricas.

Cuando el grupo de Bao sintetizó la molécula que el programa había predicho que tenía las mejores cualidades, se comportó como se esperaba. Los transistores hechos con el material funcionan diez veces más rápido que los transistores fabricados con silicio amorfo, el material que se usa hoy en día en la fabricación de pantallas. El nuevo material es el segundo semiconductor más rápido fabricado. El trabajo se describe en la revista Nature Communications. Si bien Bao y Aspuru-Guzik afirman que el material se podría usar en aplicaciones industriales, el experimento tiene mayor importancia como la demostración del funcionamiento de su método de usar ordenadores para desarrollar nuevos materiales orgánicos.

Aspuru-Guzik está usando un enfoque computacional parecido para el Proyecto Energía Limpia de Harvard, que aspira  a encontrar un mejor material para las células fotoeléctricas. Para llevar a cabo esta labor tiene muchísima potencia computacional al alcance de la mano; sus cálculos los están haciendo los casi dos millones de ordenadores de usuarios apuntados a la Red World Community Grid de IBM, Aspuru-Guzik está aprovechando la ventaja que le proporciona esta fuerza bruta de computación para cribar el potencial como material para células fotoeléctricas de unos 2,6 millones de moléculas que aún no se han creado, usando datos experimentales sobre aproximadamente 200 moléculas que sí se han fabricado. El programa predice qué color de luz absorberá un material y con qué fuerza así como otros factores que son importantes para hacer un buen material fotoeléctrico.

“Es imposible probar todos los materiales probables de manera empírica”, asegura Geoffrey Hutchison, profesor de química en la Universidad de Pittsburgh (EE.UU), quien también trabaja en la predicción mediante computación de las características de posibles materiales fotoeléctricos. “Con el paso del tiempo los investigadores empíricos comienzan a depender más de la predicción”. Resultados como los de Aspuru-Guzik deberían darles más confianza para hacerlo, afirma Hutchison.

Computación

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