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, es decir, polvos que contienen más de un tipo de estructura cristalina. Este método puede predecir la composición directamente a partir de los patrones de difracción de rayos X del polvo; los patrones de rayos X que pasan a través del cristal son los de partículas de café instantáneo de aproximadamente el mismo tamaño. A diferencia de los métodos convencionales, este enfoque no requiere el uso de “constantes de red” y puede aplicarse a datos experimentales existentes que aún no han sido analizados. Por tanto, el nuevo método es un activo importante para descubrir nuevas fases materiales y desarrollar nuevos materiales. Los resultados fueron publicados Revista de física química.
Muchos materiales pueden tener varias estructuras cristalinas, “fases”, incluso en el mismo estado sólido. Determinar la estructura cristalina fundamental de los materiales es esencial para comprender sus propiedades e idear estrategias para desarrollar nuevos materiales. Sin embargo, los métodos tradicionales calculan utilizando la “constante de red”, una propiedad del cristal que se investiga. En otras palabras, necesitan conocer la estructura cristalina antes de poder determinarla. Esto dificulta el análisis de datos experimentales existentes cuando no se conoce la constante de red. Por lo tanto, las estructuras cristalinas ocultas a simple vista no pueden detectarse en datos preexistentes.
“Las estructuras cristalinas del mundo real son extremadamente diversas. Son uno de los misterios más profundos de la naturaleza”, dice Kubo, primer autor del artículo. “Pensamos que, en cierto modo, podríamos obtener una visión más profunda de los misterios de la naturaleza desarrollando nuestro propio método para determinar estructuras cristalinas desconocidas”.
Los enfoques tradicionales utilizan métodos diferentes y son computacionalmente costosos. Para reducir los costos computacionales, los investigadores comenzaron a desarrollar un método que podría hacer predicciones basadas directamente en datos experimentales. Basaron su modelo en la dinámica molecular, simulando el movimiento atómico calculando las fuerzas entre los átomos. Luego, al incorporar datos experimentales de difracción de rayos X, aumentaron la coherencia entre los datos experimentales y las simulaciones.
“No estábamos seguros de que este método fuera prometedor”, dice 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 una amplia gama de materiales investigados. Este método reprodujo con éxito estructuras cristalinas típicas tanto del carbono (grafito y diamante) como del dióxido de silicio (bajo en cuarzo, bajo en cristobalita y coesita). Funcionó. Sin embargo, Kobo ya está pensando en una serie de posibles próximos pasos.
“Planeamos aplicar este método a datos experimentales de difracción de polvo que no se han utilizado debido a determinaciones estructurales fallidas, con el objetivo de descubrir nuevas fases de materiales, superficies e interfaces”.
