Andrej Pustogow (izquierda) y Fabian Garmroudi (derecha) junto a una exhibición de una computadora cuántica en la Cumbre de Física Global APS en Anaheim, California, EE. UU. Si bien ambos están investigando nuevos materiales cuánticos que podrían usarse en computadoras cuánticas, a su vez la computación cuántica sería extremadamente útil para la ciencia de los materiales. Crédito: Universidad de Tecnología de Viena
Las nuevas aplicaciones a menudo requieren nuevos materiales. Muy a menudo, se necesitan materiales que no ocurran naturalmente o tienen propiedades muy específicas. Para encontrar materiales adecuados para tecnologías pioneras, a menudo no es suficiente seguir el principio de prueba y error y trabajar sistemáticamente a través de la tabla periódica. Esto se aplica particularmente a la búsqueda de materiales termoeléctricos adecuados que convierten el calor en electricidad y, por lo tanto, son de interés para una amplia gama de aplicaciones.
Un equipo de investigación internacional dirigido por Andrej Pustogow de la División de Investigación de Materiales Funcionales y Magnéticos de Tu Wien ahora ha logrado predecir nuevos materiales para generar “energía verde” utilizando un protocolo informático automatizado.
Después de eso, el equipo sintetizó los materiales en el laboratorio y los probó para su aplicación. El equipo de investigación publicó su resultados En la revista científica avances.
El conocimiento es limitado: el poder de la competencia también
Desde estudios de la escuela hasta la universidad (en ciencias naturales o ingeniería), gran parte de lo que se enseña es la tecnología de vanguardia. Sin embargo, este conocimiento es limitado, y los libros de texto solo reflejan el estado del conocimiento en el momento de la publicación. Esto puede conducir a una larga búsqueda de materiales con propiedades específicas en el lugar incorrecto.
“En el campo de la termoelectricidad, por ejemplo, Abram Ioffe sugirió en la década de 1930 que los materiales semiconductores deberían investigarse para esta aplicación, ya que los metales no eran adecuados”, explica Fabian Garmroudi, primer autor del estudio.
Pustogow agrega: “Después de casi 100 años de investigación intensiva sobre semiconductores, lo que aún no ha llevado a aplicaciones generalizadas, se necesitaba una nueva idea que va más allá del conocimiento del libro de texto”.
En los últimos años (aleaciones de dorado de níquel, atasco de tráfico de electrones), el equipo ya ha demostrado que ciertos metales pueden ser una alternativa prometedora para las aplicaciones termoeléctricas.
A pesar de que los materiales recién descubiertos no fueron encontrados por Pure Luck, los investigadores ahora han lanzado una búsqueda a gran escala a través de la tabla periódica para identificar un mayor número de candidatos para aplicaciones generalizadas/amplias.
A pesar del increíble poder informático de las supercomputadoras, como el clúster científico austriaco (ASC), los más de 100 elementos son demasiados para una búsqueda a ciegas a través de la tabla periódica, ya que el tiempo de computación para combinaciones de solo unas pocas docenas de átomos excedería la edad del universo.
“Nuestra receta aquí fue”, dice Pustogow, “para determinar las propiedades relevantes del material utilizando cálculos automatizados en una parte bien definida de la tabla periódica”.
Punto de partida para la búsqueda de nuevos materiales determinados
Los investigadores seleccionaron los metales de transición de hierro, cobalto y níquel como su punto de partida. Sus compuestos con todos los demás elementos se calcularon utilizando una supercomputadora.
“Para el níquel solo, estos incluyen compuestos como Nickel-Lithium (Ni-Li), Nickel-Beryllium (Ni-Be), Nickel-Boron (Ni-B), Nickel-Carbon (Ni-C), etc., todo el camino a Nickel-Lanthanum (NI-LA), que finalmente nos llevó a los concurrentes intermetálicos particularmente prometedores (ni3). Níquel-Germanium (NI3GE) “, explica Pustogow.
El material con las mejores propiedades predichas fue el compuesto de níquel y estaño. “Esto también ocurre como un mineral natural, nisnita, en la corteza terrestre y se forma a alta presión y altas temperaturas. Sin embargo, el material es difícil de producir en condiciones normales en el laboratorio, por lo que centramos nuestros experimentos en NI3GE”, agrega Fabian Garmroudi.
Las muestras de níquel y germanio finalmente demostraron excelentes propiedades termoeléctricas en el laboratorio, según lo predicho por el protocolo informático.
Diseño de materiales para un propósito específico
En la ciencia de los materiales, a menudo se usa el siguiente procedimiento: varios elementos se derriten juntos en el laboratorio y se producen muestras, cuya calidad se evalúa antes de las mediciones finalmente se toman sobre el material. Gracias a sus simulaciones por computadora, el equipo pudo lograr el mismo resultado con un mínimo de material y gasto de tiempo.
“El hecho de que hemos encontrado propiedades tecnológicamente relevantes en un material simple que consiste en dos tipos de átomos es muy prometedor. Esto nos da la esperanza de que nuestro método, extendido a sistemas más complejos que consistan, por ejemplo, en tres tipos de átomos, identificará muchos materiales más interesantes”, dice Fabian Garmroudi.
Los nuevos materiales no solo están siendo diseñados en computadoras por investigadores universitarios; Empresas tecnológicas como Google y Microsoft también están buscando este enfoque. Están haciendo uso de las grandes cantidades de datos teóricos y experimentales que se han recopilado en los últimos años y compilados en bases de datos.
La inteligencia artificial puede usarse en última instancia para identificar conexiones que no son obvias para los humanos. Esto permite predecir nuevos materiales con las propiedades deseadas. Sin embargo, incluso hoy, los mejores resultados aún se logran con la intuición humana y la creatividad, respaldados por el poder informático de las computadoras.
Más información: Fabian Garmroudi et al, Factores de energía termoeléctrica inducidos por el filtrado de energía en NI 3 GE, Ciencias Avances (2025). Dos: 10.1126/sciadv.adv7113
Proporcionado por la Universidad de Tecnología de Vienna
Cita: Desde la computadora directa a las aplicaciones: el protocolo automatizado predice nuevos materiales termoeléctricos (2025, 6 de agosto) Recuperado el 6 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-straight-Aplications-automated-protocol-thermoelectric.html
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