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Computación y simulación para ciencia de materiales




Enviado por Pablo Turmero



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    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

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    El Nano-mundo – Nanociencia y nanotecnologíaMateriales,
    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

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    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???

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    Pero… Y si la molécula tiene muchos
    átomos???

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    Modelización por ordenador: ¿Por qué?
    Dificultad de preparación y medida experimental e.g.:
    fullerenos de carbonosimulación mucho antes que
    síntesis

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    ? 7 Å Fullerenos: C60

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    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

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    Nanotubos Imagen de Microscopía electrónica de
    transmisión (TEM) Imagenes de Microscopía de efecto
    tunel (STM)

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    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

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    Simulación por ordenador: ¿Para qué?
    ¿qué aprendemos? Estructura atómica Procesos
    dinámicos a escala atómica Propiedades
    electrónicas … SIMULACIONES MECANO-CUÁNTICAS –
    PRIMEROS PRINCIPIOS –

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    “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

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    De 0 a 40 GPa (T=0) Transición de nanotubo a
    diamante

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    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)

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    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

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    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.)

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    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

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    Nanocontactos de Oro Onishi et al., Nature 395, 780 (1998)

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    Distancia aparente en el hilo: 3.5 – 4.5 Ang.

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    D. Sanchez-Portal et al., Phys. Rev. Lett. 83, 3884 (1999)
    Simulación numérica

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    Legoas et al, PRL 88, 07605 (2002) Impurezas de Carbono

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    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)

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