À medida que novos métodos se tornam disponíveis para compreender e manipular a matéria em seus níveis mais fundamentais, pesquisadores que trabalham no campo interdisciplinar da ciência dos materiais têm tido cada vez mais sucesso na síntese de novos tipos de materiais. Freqüentemente, o objetivo dos pesquisadores da área é projetar materiais que incorporem propriedades que podem ser úteis para desempenhar funções específicas. Esses materiais podem, por exemplo, ser mais quimicamente estável ou resistente à quebra física, têm características eletromagnéticas vantajosas, ou reagem de maneiras previsíveis a condições ambientais específicas.

O Dr. Ralf Tonner e seu grupo de pesquisa na Universidade de Marburg estão enfrentando o desafio de projetar materiais funcionais de uma maneira incomum - aplicando abordagens baseadas na química computacional. Usando recursos de computação no High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), um dos três centros de supercomputação nacionais alemães que compõem o Gauss Center for Supercomputing, Tonner modela fenômenos que acontecem na escala atômica e subatômica para entender como fatores como a estrutura molecular, propriedades eletrônicas, ligação química, e as interações entre os átomos afetam o comportamento de um material.

"Quando você estuda como, por exemplo, uma molécula é adsorvida em uma superfície, "Tonner explica, "outros cientistas costumam descrever esse fenômeno com métodos da física, teoria do estado sólido, ou estruturas de banda. Achamos que também pode ser muito útil perguntar, como um químico veria o que está acontecendo aqui? "Dessa perspectiva, Tonner está interessado em explorar se a compreensão das reações químicas - como os átomos se unem em moléculas e reagem quando colocados em contato uns com os outros - pode oferecer novas e úteis percepções.

Em uma nova publicação em Ciência Molecular Computacional WIREs , Tonner e sua colaboradora Lisa Pecher destacam a capacidade das abordagens de química computacional usando computação de alto desempenho para revelar fenômenos interessantes que ocorrem entre as moléculas orgânicas e as superfícies. Eles também demonstram de forma mais geral como essas interações podem ser entendidas com respeito ao mundo molecular e de estado sólido. O conhecimento que eles adquiriram pode ser útil para projetar superfícies padronizadas, um objetivo de cientistas que trabalham na próxima geração de sistemas mais poderosos, semicondutores mais eficientes.

Trazendo computação para a química

Os átomos se unem para formar moléculas e compostos quando se aproximam e, em seguida, trocam ou compartilham elétrons orbitando ao redor de seus núcleos. Os átomos específicos envolvidos, as formas físicas que as moléculas assumem, suas propriedades energéticas, e como eles interagem com outras moléculas próximas são todas as propriedades que dão a um composto suas propriedades únicas. Tais características podem determinar se os compostos provavelmente permanecerão estáveis, ou se tensões como mudanças de temperatura ou pressão podem afetar sua reatividade.

Tonner usa uma abordagem computacional chamada teoria do funcional da densidade (DFT) para explorar tais características na escala quântica; isso é, na escala em que a mecânica newtoniana é substituída pelo mundo muito mais estranho da mecânica quântica (a distâncias de menos de 100 nanômetros). O DFT usa informações sobre variações na densidade dos elétrons dentro de uma molécula - uma quantidade que também pode ser medida experimentalmente usando uma tecnologia amplamente usada chamada difração de raios-X - para derivar a energia do sistema. Esse, por sua vez, permite aos pesquisadores inferir interações entre núcleos, bem como interações entre elétrons e núcleos, fatores que são críticos para a compreensão de ligações e reações químicas.

O DFT pode ser útil, embora estático, informações sobre os perfis de energia dos compostos que estudam. Para obter uma melhor compreensão de como os sistemas de moléculas realmente se comportam ao interagir com uma superfície, O grupo de Tonner também usa computação de alto desempenho no HLRS para realizar simulações de dinâmica molecular. Aqui, os cientistas observam como o sistema de moléculas se desenvolve ao longo do tempo, no nível de átomos e elétrons e em escalas de tempo de picossegundos (um picossegundo é um trilionésimo de segundo).

Esses cálculos normalmente usam 2, 000-3, 000 núcleos de computação, correndo em um problema por uma semana, e Tonner foi orçado em aproximadamente 30 milhões de horas de CPU no HLRS para o atual ciclo de financiamento de dois anos.

"O aumento do poder da computação tornou possível que a química computacional e a química quântica descrevessem sistemas moleculares reais. Apenas 15 a 20 anos atrás, as pessoas só podiam olhar para pequenas moléculas e tinham que fazer aproximações bastante fortes, "Tonner explica." Nos últimos anos, as comunidades de química computacional e teoria do estado sólido resolveram o problema de paralelizar seus códigos para operar com eficiência em sistemas de computação de alto desempenho. Conforme os supercomputadores ficam maiores, prevemos ser capazes de desenvolver modelos cada vez mais realistas para sistemas experimentais em ciência dos materiais. "

Em direção a semicondutores baseados em luz

Uma área em que Tonner está usando química computacional é estudar maneiras de melhorar o silício para uso em novos tipos de semicondutores. Esse problema ganhou urgência nos últimos anos, como ficou claro que a indústria de microeletrônica está atingindo o limite de sua capacidade de melhorar semicondutores usando apenas silício.

Como Tonner e colegas experimentais relataram em um artigo recente no Beilstein Journal of Organic Chemisty, a funcionalização do silício com compostos como fosfeto de gálio (GaP) ou arsenieto de gálio (GaAs) poderia permitir o projeto de novos tipos de semicondutores. Essa pesquisa, baseado em um campo chamado fotônica de silício, postula que esses novos materiais tornariam possível o uso de luz em vez de elétrons para o transporte de sinal, apoiar o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos aprimorados.

"Para fazer isso, "Tonner explica, "realmente precisamos entender como as interfaces entre o silício e esses compostos orgânicos se parecem e se comportam. A reação entre essas duas classes de materiais precisa ocorrer de uma maneira muito controlada para que a interface seja a mais perfeita possível. Com a química computacional, podemos olhar nos detalhes elementares dessas interações e processos. "

Por exemplo, para cobrir uma placa de silício, moléculas precursoras líquidas para os átomos constituintes do arseneto de gálio são colocadas em um borbulhador, onde eles são então levados para a fase gasosa. Essas moléculas precursoras são compostas dos átomos necessários para o novo material (gálio, arsênico) e íons ou moléculas chamadas ligantes para estabilizá-los na fase líquida e gasosa. Esses ligantes são posteriormente perdidos no processo de deposição e quando o silício é colocado no sistema, as moléculas precursoras são adsorvidas na superfície de silício sólido. Após a adsorção e perda dos ligantes, átomos de gálio e arseneto se ligam ao silício, formando um filme de GaAs.

A forma como os átomos são organizados quando são adsorvidos em uma superfície é determinada por ligações químicas. A força dessas ligações e a densidade com que as moléculas precursoras de GaAs são adsorvidas são afetadas não apenas pela distância entre elas e a superfície de silício, mas também pelas interações entre as próprias moléculas precursoras. Em um tipo de interação, chamado de repulsão Pauli, nuvens de elétrons se sobrepõem e se repelem, fazendo com que a energia disponível para a ligação diminua. Noutro, chamada interação de dispersão atrativa, mudanças nas posições eletrônicas em um átomo fazem com que os elétrons sejam redistribuídos em outros átomos, harmonizando os movimentos dos elétrons e diminuindo a energia de todo o sistema.

Anteriormente, sugeriu-se que as relações repulsivas entre os átomos são o fator mais importante para "direcionar" os átomos para o lugar quando eles se adsorvem em uma superfície. Usando a teoria do funcional da densidade e olhando para as características intrigantes de como os elétrons são distribuídos, os pesquisadores determinaram que a capacidade dos átomos de direcionar outros átomos para seu lugar na superfície também pode resultar de interações dispersivas atraentes.

Obter uma melhor compreensão dessas interações fundamentais deve ajudar os projetistas de semicondutores opticamente ativos a melhorar a adsorção das moléculas precursoras no silício. Esse, por sua vez, tornaria possível combinar a condução do sinal de luz com microelectônica à base de silício, reunindo o melhor dos dois mundos em condução ótica e eletrônica.

Para Tonner, o uso de métodos de primeiros princípios em química para aplicações em ciências de materiais é uma grande promessa. "A teoria hoje é muitas vezes considerada um complemento da investigação experimental, "ele diz." Embora a experimentação seja extremamente importante, nosso objetivo final é que a teoria seja preditiva de uma forma que nos permita dar os primeiros passos no design de materiais inspirados nos primeiros princípios. Eu vejo isso como um objetivo de longo prazo. "