Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/244/17
Ciudad de México, 6 de noviembre de 2017

• Las simulaciones son útiles para hallar nuevas aplicaciones en la industria electrónica, medicina, industria de la grabación, catálisis, energías renovables y cosmética.

La industria de los cosméticos es uno de los campos en los que se utilizan de manera importante los óxidos metálicos o sistemas multicomponentes, los cuales se caracterizan por estar constituidos por pocos átomos, y cuyas propiedades se estudian a través de programas que permiten hacer predicciones y extrapolaciones reales a los sistemas físicos.
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La simulación numérica a escala atómica de sistemas metálicos multicomponentes es útil para predecir el comportamiento de la materia en tamaños nanométricos, esto es, de una millonésima de milímetro. Para estudiar la materia a esta escala, invisible a simple vista, se hacen modelos con distintos programas de cómputo que permiten realizar experimentos numéricos, que de llevarse a cabo en el laboratorio podrían resultar muy costosos o muy difíciles de realizar pues se trata de materiales estratégicos o escasos en la naturaleza.

Estos sistemas multicomponentes se conocen como óxidos metálicos, se caracterizan por estar constituidos por pocos átomos y también se les conoce como cúmulos. “Lo que hago es tratar de hacer predicciones acerca de sus propiedades electrónicas, mecánicas y de transporte, ya que materiales como los óxidos metálicos tienen aplicaciones electrónicas, en la industria cosmética y en tecnologías renovables como las celdas solares”, indicó el investigador Juan Faustino Aguilera Granja.

Para realizar las simulaciones se utilizan los códigos IESTA, Quantum Expresso, ADF y VASP, por citar algunos, los cuales utilizan cálculos de primeros principios (basados solo en su número atómico). “En este momento los programas permiten hacer predicciones y extrapolaciones reales a los sistemas físicos verdaderos”, comentó Aguilera Granja, del Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, que se dedica al estudio del estado sólido de materiales como el óxido de titanio, óxido de hierro y óxido de indio.

El mundo de los nanomateriales abre un vasto campo de oportunidades para diseñar productos con propiedades completamente nuevas e inesperadas. Con el continuo mejoramiento de técnicas experimentales de síntesis y caracterización de materiales, así como la irrupción de nuevas aplicaciones y desarrollos, resulta vital entender teóricamente sus propiedades: tamaño, composición atómica y estructura geométrica.

“En el Departamento de Materiales Nanoestructurados estudiamos sistemas como tubos de carbón que se pueden utilizar para transportar fármacos, agregados de pocos átomos que contengan propiedades magnéticas y de catálisis. En el caso de los óxidos, estos son importantes para la industria electrónica, en medicina, la industria de la grabación, catálisis y cosmética. Hay muchas aplicaciones para los sistemas de pocos átomos”, señaló.

Aguilera Granja, integrante de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC), señaló que junto con sus alumnos estudia fundamentalmente las propiedades electrónicas de estos sistemas de pocos átomos, ya que sus características son muy diferentes a las que tienen los sistemas masivos.

Los sistemas con muchos átomos pueden ser una pieza metálica, el extensible de un reloj, un pedazo de hierro, etcétera; mientras que los sistemas con pocos átomos serían, por ejemplo, las micropartículas que tiene la crema para dar ciertas propiedades de tersura a la piel o las propiedades que pudieran tener algunos filtros solares que contienen partículas pequeñas para brindar protección contra quemaduras.

Se requiere una mayor interacción con la industria
Uno de los aspectos que limitan este campo tan amplio de estudio es que existe muy poca relación con la industria en México que pudiera llevar a desarrollos provenientes de la academia. “A nosotros nos gustaría estar en una etapa más allá de lo teórico, pero en las universidades del país no estamos en el momento para dar ese paso, de conectar. El problema es que la industria no está tan vinculada con la universidad, hay una distancia muy grande todavía, no somos un país de primer mundo donde los problemas que le interesan a la industria se trabajan en las universidades”.

El doctor en Ciencias por el Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados (Cinvestav) comentó que siempre busca que su equipo tome reportes experimentales, aunque lo ideal sería trabajar de cerca con grupos que realicen la parte experimental para corroborar o predecir teóricamente ciertos comportamientos de la materia.

“El año pasado tuvimos una colaboración con la Universidad del País Vasco en la que estudiamos cúmulos de níquel en matrices de plata y tuvimos la suerte de que el grupo experimental tenía los resultados justamente del sistema que simulamos. Ahora estamos tratando de continuar con esta colaboración, estudiando cúmulos de cobalto en matrices de metales nobles. Es importante aterrizar con experimentos”, señaló el físico.

Juan Faustino Aguilera Granja obtuvo la Medalla “Marcos Moshinsky” en 2015 por sus aportaciones a la física teórica, en especial, en el área de nanoestructuras y sistemas bidimensionales, a la mecánica estadística, la física de polímeros, física de aleaciones y sus superficies, así como las propiedades magnéticas de sistemas de baja dimensionalidad y en propiedades fisicoquímicas de agregados atómicos mono y bimetálicos. Es integrante de la Comisión de Premios de la AMC en el área de ciencias exactas desde hace dos años.

Luz Olivia Badillo.