Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma nova técnica que pode acelerar significativamente os cálculos que revelam como os elétrons interagem nos materiais. Esta técnica, chamada de "teoria funcional de densidade de campo autoconsistente (SCF-DFT) com um conjunto de base de ondas planas", permite aos cientistas estudar materiais com maior precisão e eficiência do que era possível anteriormente.
Os materiais são compostos de átomos, que são compostos de prótons, nêutrons e elétrons. As interações entre essas partículas determinam as propriedades do material, como resistência, condutividade e comportamento magnético. Compreender essas interações é essencial para projetar novos materiais com propriedades desejadas para uma ampla gama de aplicações, como armazenamento de energia, eletrônica e catálise.
Um dos métodos mais precisos para estudar o comportamento dos elétrons em materiais é a teoria do funcional da densidade (DFT), que é um método amplamente utilizado para calcular a estrutura eletrônica de átomos, moléculas e sólidos. No entanto, os cálculos DFT podem ser computacionalmente intensivos, especialmente para sistemas grandes ou aqueles que contêm elementos pesados, tornando-os difíceis de aplicar em muitos casos práticos.
A abordagem de campo autoconsistente (SCF) envolve a resolução das equações de Kohn-Sham, um conjunto de equações que definem os cálculos DFT. Na abordagem tradicional, as equações de Kohn-Sham são resolvidas expandindo as funções de onda dos elétrons em um conjunto finito de funções básicas, como ondas planas. Esta abordagem pode ser computacionalmente cara, especialmente para sistemas com um grande número de átomos.
A nova técnica desenvolvida pelos pesquisadores de Argonne usa uma abordagem mais eficiente chamada conjunto de bases de ondas planas. Nesta abordagem, as funções de onda são representadas numa grelha e depois projetadas num conjunto de ondas planas. Isto reduz o custo computacional dos cálculos e permite aos cientistas estudar sistemas maiores com maior precisão e eficiência.
"O desenvolvimento desta nova técnica é um avanço significativo no campo da ciência computacional dos materiais", disse o Dr. John Perdew, cientista sênior da Argonne e um dos principais investigadores do estudo. "Isso abre portas para novas possibilidades de estudo do comportamento dos elétrons em materiais, o que irá acelerar o desenvolvimento de materiais avançados."
Os pesquisadores demonstraram o poder de sua nova técnica estudando uma variedade de materiais, incluindo silício, água e um óxido complexo. Eles descobriram que sua técnica pode atingir precisão semelhante aos cálculos tradicionais de DFT, mas com custo computacional significativamente reduzido, tornando-a uma ferramenta promissora para futuras pesquisas de materiais.
O estudo, intitulado "Teoria funcional de densidade de campo autoconsistente com um conjunto de base de ondas planas:Formalismo e implementação", foi publicado no Journal of Chemical Physics e foi apoiado pelo DOE Office of Science. A equipe de pesquisa incluiu cientistas do Laboratório Nacional de Argonne, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
