Modelización en la Escala Nanométrica: Simulaciones
de Primeros Principios La física y química son
ciencias experimentales Experimentos muy complejos: a veces
irrealizables: MODELIZACIÓN Si reproduzco el experimento,
es que las leyes físicas son correctas:
SIMULACIÓN
El Nano-mundo – Nanociencia y nanotecnología – Materiales,
dispositivos o estructuras formados a partir de agrupamientos
atómicos de tamaño nanométrico 1 nm = 10
Angstrom = 10-9 m (varias distancias interatómicas) Se
conocen las leyes básicas fundamentales
Para las moléculas simples podemos calcular tanto las
posiciones de los átomos que la forman como sus estados
electrónicos a partir de principios cuánticos
VO-VH1 VO-VH2 VH1-VH1 Pero… Y si la molécula tiene
muchos átomos???
Pero… Y si la molécula tiene muchos
átomos???
Modelización por ordenador: ¿Por qué?
Dificultad de preparación y medida experimental e.g.:
fullerenos de carbono – simulación mucho antes que
síntesis
? 7 Å Fullerenos: C60
Simulación por ordenador: ¿Por qué?
Dificultad de preparación y medida experimental e.g.:
fullerenos de carbono – simulación mucho antes que
síntesis Posibilidad de controlar en detalle el sistema
(estructura, composición, condiciones externas,…) e.g.:
selección de la estructura de los nanotubos de
carbono
Nanotubos Imagen de Microscopía electrónica de
transmisión (TEM) Imagenes de Microscopía de efecto
tunel (STM)
Simulación por ordenador: ¿Por qué?
Dificultad de preparación y medida experimental e.g.:
fullerenos de carbono – simulación mucho antes que
síntesis Posibilidad de controlar en detalle el sistema
(estructura, composición, condiciones externas,…) e.g.:
selección de la estructura de los nanotubos de carbono
Capacidad de obtener informacion muy dificil de encontrar a
partir del experimento: entender lo que pasa e.g.: posiciones
atómicas detalladas
Simulación por ordenador: ¿Para qué?
¿qué aprendemos? Estructura atómica Procesos
dinámicos a escala atómica Propiedades
electrónicas … SIMULACIONES MECANO-CUÁNTICAS –
PRIMEROS PRINCIPIOS –
“Bundles” de Nanotubos bajo presión:
Transición a diamante (hexagonal) Simulaciones a
Presión Constante, T=0. (6,6) bundle P = 0 P = 9 GPa P =
10 GPa S. Reich et al., enviado a Nature
De 0 a 40 GPa (T=0) Transición de nanotubo a
diamante
Estimación de la transición(teniendo en cuenta las
barreras de energía): T = 0 K P = 25 GPa T = 500 K P ? 5 –
10 GPa Experimentos (Grupo de Altas PresionesGFZ – Potsdam)
Almacenamiento de Hidrógeno en Nanotubos El H2 como forma
de energía renovable y limpia Problema: Almacenamiento y
transporte seguro Diversos materiales propuestos para
almacenamiento de Hidrógeno (metales) Nanotubos: Algunos
experimentos parecen indicar una gran capacidad de
almacenamiento: ~10% en peso (objetivo del DOE: 6.5 % en peso)
Valores experimentales contradictorios; Mecanismo de absorcion
desconocido
H. Cheng, G. Pez y A. Cooper Air Products and Chemicals Inc. J.
American Chemical Soc. 2001 Entalpía de absorción:
3-10 kcal/mol (exp: 4.7 kcal/mol, temp. amb.)
CONDENSED MATTER THEORY DEPARTMENT: MODELING AND SIMULATIONS IN
NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY (Gp:) CARBON NANOTUBES AND OTHER
MOLECULAR ELECTRONICS DEVICES Recently, it has been proven that
it is possible to build circuits based on organic molecules or
carbon nanotubes that show, among others, transistor behavior.
Most of the intrinsic properties characterizing the electronic
transport in these nanostructures are yet to be understood. (Gp:)
NANOWIRES Metallic contacts of atomic dimensions can they
transport electronic current in the nanocircuits of the
future???. (Gp:) simulation important to understand the breakdown
mechanisms
Nanocontactos de Oro Onishi et al., Nature 395, 780 (1998)
Distancia aparente en el hilo: 3.5 – 4.5 Ang.
D. Sanchez-Portal et al., Phys. Rev. Lett. 83, 3884 (1999)
Simulación numérica
Legoas et al, PRL 88, 07605 (2002) Impurezas de Carbono
Tamaños: ? 1000 átomos Tiempos: ? 10-100
picosegundos Correlaciones electrónicas fuertes Enlaces
débiles (van der Waals) Excitaciones electrónicas y
dinámica de estados excitados Movimiento cuántico
de los nucleos Limitaciones de las técnicas estandar
(Dinámica Molecular – DFT)