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)