Modelos por ordenador 10.000 veces más rápidos para simular el comportamiento de los materiales

Publicado el 27 Feb, 2010 por Eugenio Rodríguez en Informática

Un nuevo modelo por ordenador podría alcanzar hasta 10.000 veces más rapidez en los cálculos sobre simulaciones de nuevos materiales, lo que ayudaría a mejorar las innovaciones tecnológicas en relación con aparatos electrónicos y vehículos energéticamente eficientes. Los ingenieros de Princeton hallaron este modelo mediante la base de una teoría de la física cuántica de hace más de 80 años.

Llewellyn Hilleth Thomas y el premio Nobel Enrico Fermi fueron los primeros en teorizar en 1927 que se podía calcular la energía de los electrones en movimiento sobre la base de cómo los electrones se distribuyen en un material. Conociendo la energía cinética de los electrones en un material, ayudaría a los investigadores a comprender la estructura y propiedades de nuevos materiales, así como la forma en que pudieran responder al estrés físico.

Sin embargo, la ecuación de Thomas-Fermi se basó en un teórico gas de electrones distribuido de manera uniforme, por lo que no puede trabajar para los imperfectos materiales reales. Pierre Hohenberg y Walter Kohn, otro premio Nobel, lograron demostrar en 1964 que la ecuación de Thomas-Fermi podría aplicarse a los materiales reales. Pero sólo estableció las bases para demostrar la viabilidad de la ecuación.

Los investigadores han intentado calcular la energía de cada átomo a partir de cero para simular cómo un material puede comportarse, pero las simulaciones más allá de unos pocos cientos de átomos ahogan incluso a los ordenadores más potentes. Esto pone un severo límite en los tipos de materiales que los investigadores pueden simular.

Por el contrario, el equipo de ingenieros de Princeton extrajo la ecuación de Thomas-Fermi para desarrollar un modelo de trabajo que puede predecir la energía cinética de los electrones en los metales simples. Además, se añadió una ligera modificación para permitir también que el modelo pueda trabajar igualmente para materiales semiconductores, cuyo uso está presente en los dispositivos electrónicos de hoy día.

Según nos comentaba Emily Carter, ingeniera de Princeton que dirigió el proyecto:

“Las ecuaciones científicas que usábamos anteriormente eran ineficientes y consumían enormes cantidades de recursos informáticos, por lo que nos limitamos a modelar unos pocos cientos de átomos de un material perfecto”.

“Las propiedades más importantes son actualmente determinadas por los defectos, pero para entenderlos necesitas mirar a cientos o decenas de miles de átomos para que estas especificaciones sean incluidas. Con esta nueva ecuación, hemos sido capaces de moldear hasta un millón de átomos, de modo que nos acercamos a las propiedades reales de un sustancia”.

Los investigadores esperan que, al ir más allá de los conceptos introducidos por Thomas y Fermi hace más de 80 años, su nuevo modelo ayude a mejorar las innovaciones futuras, ya que ahora se puede aplicar con precisión la mecánica cuántica de la materia a escala nunca antes posible.

Más información | Universidad de Princeton

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