30 de octubre de 2023 (Noticias de Nanowerk) El diamante en un anillo de compromiso, el material maravilloso grafeno y la "mina" de un humilde lápiz están hechas de carbono, pero muestran características profundamente diferentes. Los materiales de carbono como estos se encuentran entre los ejemplos más famosos de cómo pueden surgir diversas propiedades en los materiales, basadas únicamente en la reordenación de la estructura de los átomos. El objetivo del Centro RIKEN de Ciencias de la Materia Emergente (CEMS) en Saitama, Japón, es desarrollar materiales para nuevas tecnologías energéticamente eficientes. El enfoque habitual para sintetizar nuevos materiales implica buscar propiedades mejoradas, como resistencia y durabilidad, o una mejor conducción de la electricidad y el calor. Pero CEMS es pionero en un enfoque alternativo que pone patas arriba ese enfoque estándar. Primero, pensamos en las propiedades necesarias para un nuevo dispositivo, utilizamos datos del nuevo repositorio y plataforma de simulación de RIKEN para calcular la estructura atómica que proporciona estas características y luego construimos el material a medida.

Sosteniblemente pequeño

CEMS está trabajando para reducir el tamaño de los componentes electrónicos, pero los ingenieros están alcanzando muchos límites en la reducción de tamaño. Por ejemplo, podría considerar un "inductor", un componente estándar que se encuentra en dispositivos como los teléfonos inteligentes. Estas bobinas de alambre controlan el flujo de corriente eléctrica en un circuito almacenándola como energía de campo magnético. A primera vista, los físicos podrían suponer que el inductor se puede hacer más pequeño reduciendo el tamaño de la bobina, pero esto disminuye su capacidad para almacenar energía. Hace unos años, los físicos del CEMS dieron con una solución innovadora. Se dieron cuenta de que una propiedad peculiar de ciertos materiales magnéticos exóticos podía imitar un inductor, sin necesidad de un cable.1 La característica se relaciona con una característica cuántica inherente a todos los electrones llamada "espín", que hace girar los electrones alrededor de un eje invisible que apunta en un punto específico. dirección. En los imanes normales, los espines de los electrones se alinean en una dirección, creando el efecto magnético. Pero los físicos del CEMS estaban intrigados por los helimagnetos, un conjunto de materiales naturales en los que los electrones se disponen en espirales. Pensaron que algunos helimagnetos conductores de electricidad podrían imitar una bobina de alambre, sirviendo como un pequeño inductor: esa idea se confirmó en experimentos CEMS en 2020 (Naturaleza, “Inducción electromagnética emergente en un imán de espín helicoidal”). Mientras que los primeros helimagnetos investigados operaban sólo a temperaturas ultrafrías que consumen mucha energía, los investigadores del CEMS encontraron uno que funciona a temperatura ambiente, en colaboración con la Universidad de Tokio (PNAS, “Inducción electromagnética emergente más allá de la temperatura ambiente”). Sin embargo, hay otros obstáculos que superar. Por ejemplo, los helimagnetos sólo funcionan por debajo del régimen de megahercios, pero dispositivos como los teléfonos móviles funcionan en frecuencias en el rango de gigahercios, mucho más alto. Los helimagnetos son un conjunto de materiales naturales en los que los electrones se disponen en espirales. Algunos helimagnetos diminutos conductores de electricidad podrían imitar un inductor: bobinas de alambre que controlan el flujo de corriente eléctrica en un circuito almacenándola como energía de campo magnético. (Imagen: RIKEN)

memoria magnética

Otra pequeña y retorcida tecnología que se está investigando en el CEMS podría ayudar a revolucionar el almacenamiento de memoria en la electrónica. Se trata de skyrmions: nudos esféricos de electrones orientados de modo que todos sus espines apunten hacia afuera, un poco como un erizo acurrucado. Estas configuraciones son muy estables porque sólo se despliegan cuando se pone energía adicional en el sistema. Los Skyrmions actúan como partículas porque son fáciles de mover con un campo magnético externo y son difíciles de destruir. Esto los convierte en una herramienta atractiva para almacenar información, que estaría codificada en la posición del skyrmion. Dado que son tan estables, también son resistentes a errores y corrupción de memoria. Lo más importante es que también son minúsculos: un skyrmion puede ser más pequeño que una centésima de micrómetro, lo que significa que se pueden empaquetar 10,000 skyrmions en sólo 1 μm2 (micrómetro cuadrado), que es entre una décima y una centésima del ancho de un cabello humano. Esto permitiría almacenamiento de memoria de muy alta densidad y dispositivos de almacenamiento de memoria más pequeños. Pero, una vez más, hay un obstáculo. Hasta ahora, los físicos han podido manipular fácilmente skyrmions en materiales con densidades más bajas de nudos electrónicos, pero no en los nudos de alta densidad que más les interesan. Una gran frustración es que no existe una estrategia real para encontrar el skyrmion correcto. -material de alojamiento. El enfoque actual es hacer un compuesto, medirlo, ver si encaja y hacer otro compuesto si no encaja. Normalmente, son los químicos quienes descubren nuevos materiales modificando las estructuras de materiales familiares. Luego, los físicos catalogan las nuevas propiedades que surgen de ellas, midiendo meticulosamente sus características ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas y mecánicas. Finalmente, los ingenieros toman un material que tiene características útiles y construyen un dispositivo para aprovecharlas. Todo es prueba y error. Peor aún, los científicos tienden a informar de los intentos exitosos sólo a sus pares. Esto significa que diferentes grupos desperdician mucho tiempo y recursos repitiendo los mismos errores. CEMS está creando una nueva plataforma digital para hacer que este proceso sea más eficiente combinando sistemáticamente datos de experimentos de laboratorio con simulaciones de supercomputadora a través de una plataforma en línea a la que se puede acceder desde RIKEN (ver recuadro: UN VIAJE al futuro de la ciencia de los materiales). El objetivo es facilitar que los científicos comiencen con una visión del dispositivo que necesitan y trabajen hacia atrás para crear el material personalizado que se ajuste a sus necesidades.

Un VIAJE al futuro de la ciencia de los materiales

Sólo hay alrededor de 80 tipos de elementos con los que los humanos pueden jugar en el laboratorio cuando intentan diseñar componentes novedosos para dispositivos. Pero los átomos de estos 80 elementos se pueden reordenar para diseñar un número casi infinito de nuevos materiales, y esto significa que estudiar esto implica cantidades alucinantes de datos. Con esto en mente, el Centro de Ciencia de la Materia Emergente (CEMS) de RIKEN está contribuyendo a la promoción de 'TRIP', o 'Plataforma de Innovación en Investigación Transformativa de Plataformas RIKEN', una iniciativa de todo RIKEN destinada a vincular las diversas plataformas de datos dentro de RIKEN con Desarrollar nuevos paradigmas científicos. CEMS participa en la iniciativa a través de un repositorio que combina el conocimiento adquirido en experimentos de laboratorio reales con simulaciones de propiedades materiales previstas realizadas por supercomputadoras. Inteligencia ArtificialLuego, se puede aprovechar la IA, o IA, para ayudar a diseñar nuevos materiales útiles basados ​​en las propiedades deseadas, que luego los científicos pueden sintetizar. Takahisa Arima, subdirector de CEMS, dice que a pesar de estar basado en la física, el proyecto se inspira en la biología, donde la IA ha demostrado un éxito considerable en los últimos años a la hora de predecir correctamente cómo se plegarán las proteínas, lo que alguna vez fue uno de los mayores problemas pendientes para los biólogos. "Pero el desafío para la ciencia de los materiales es mucho más difícil porque hay muchos más componentes básicos", dice Arima. De cara al futuro, TRIP pretende incluir simulaciones y predicciones realizadas por computadoras cuánticas (máquinas en desarrollo que tienen el potencial de superar a las supercomputadoras actuales) para abordar estos problemas. "Somos pioneros en la transformación digital de la ciencia", dice Arima. Al crecer, Arima tenía una ambición muy diferente. “Quería ser meteorólogo y pronosticar el tiempo. Pero cambié de opinión en la universidad, cuando me di cuenta de cuántos factores complejos entran en juego cuando se intenta predecir, y mucho menos manipular, la ruta de un tifón, por ejemplo”, dice. “Por el contrario, la física de la materia condensada ofrece una claridad y un control atractivos. Las propiedades de los materiales son muy diversas, pero se generan por comportamientos simples de los electrones y los núcleos de los átomos”. Esto, combinado con el aumento de la potencia informática, afirma, significa que los materiales deberían tener el poder de transformar nuestras vidas antes de lo que pensamos.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63959.php