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(noticias nanowerk) El diamante de un anillo de compromiso, el maravilloso material grafeno y la “mina” de un simple lápiz están hechos de carbono, pero tienen propiedades completamente diferentes. Los materiales de carbono como estos se encuentran entre los ejemplos más conocidos de cómo pueden surgir diversas propiedades en materiales basadas únicamente en la reordenación de la estructura de los átomos.
El objetivo del Centro RIKEN de Ciencias de la Materia Emergente (CEMS) en Saitama, Japón, es desarrollar materiales para nuevas tecnologías energéticamente eficientes. El enfoque común para sintetizar nuevos materiales es buscar propiedades mejoradas, como resistencia y durabilidad, o una mejor conducción de la electricidad y el calor. Pero CEMS es pionero en un enfoque alternativo que pone patas arriba este enfoque estándar. Primero pensamos en las propiedades necesarias para un nuevo dispositivo, utilizamos datos del nuevo repositorio y plataforma de simulación de RIKEN para calcular la estructura atómica que proporciona esas propiedades y luego construimos el material personalizado.
Sosteniblemente pequeño
CEMS está trabajando para hacer que los dispositivos electrónicos sean más pequeños, pero los ingenieros están alcanzando muchos límites a la hora de reducir el tamaño. Por ejemplo, consideremos un “inductor”, un componente estándar que se encuentra en dispositivos como los teléfonos inteligentes. Estas bobinas de alambre controlan el flujo de corriente en un circuito almacenándola como energía de campo magnético.
A primera vista, los físicos podrían suponer que el inductor podría hacerse más pequeño haciendo la bobina más pequeña, pero esto reduciría su capacidad para almacenar energía.
Hace unos años, los físicos del CEMS encontraron una solución innovadora. Se dieron cuenta de que una propiedad especial de ciertos materiales magnéticos exóticos podía imitar un inductor sin necesidad de un cable.1 La función se refiere a una propiedad cuántica inherente a todos los electrones llamada “espín”, que hace girar los electrones sobre un eje invisible que se convierte en un cierta dirección muestra dirección.
En los imanes normales, los espines de los electrones se alinean en una dirección, creando el efecto magnético. Pero los físicos del CEMS estaban fascinados por los helimagnetos, una serie de materiales naturales en los que los electrones se disponen en espiral.
Pensaron que algunos helimagnetos conductores de electricidad podrían imitar una bobina de alambre y servir como un pequeño inductor: esta suposición se confirmó en experimentos CEMS en 2020 (Naturaleza“Inducción electromagnética emergente en un imán de espín espiral”).
Mientras que los primeros helimagnetos estudiados solo funcionaban a temperaturas ultrafrías y que consumían mucha energía, los investigadores del CEMS, en colaboración con la Universidad de Tokio, encontraron uno que funciona a temperatura ambiente (PNAS“Inducción electromagnética emergente más allá de la temperatura ambiente”).
Sin embargo, todavía quedan más obstáculos que superar. Los helimagnetos, por ejemplo, sólo funcionan por debajo del rango de megahercios, mientras que dispositivos como los teléfonos móviles funcionan en frecuencias en el rango de gigahercios, mucho más alto.
![Imagen de Skyrmion](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63959_1.jpg)
Almacenamiento magnético
Otra pequeña y retorcida tecnología que se está estudiando en el CEMS podría ayudar a revolucionar el almacenamiento de memoria en la electrónica.
Estos son skyrmions: nodos de electrones esféricos que están alineados de modo que todos sus espines apunten hacia afuera, un poco como un erizo acurrucado. Estas configuraciones son muy estables porque sólo se desarrollan cuando se agrega energía adicional al sistema.
Los Skyrmions actúan como partículas porque pueden moverse fácilmente mediante un campo magnético externo y son difíciles de destruir. Esto los convierte en una herramienta atractiva para almacenar información que estaría codificada en la posición del skyrmion. Debido a que son tan estables, también son resistentes a errores y corrupción de memoria.
Lo más importante es que también son pequeños: un skyrmion puede ser más pequeño que una centésima de micrómetro, lo que significa que puedes empaquetar 10.000 skyrmions en solo 1 μm2 (micrómetro cuadrado), que es entre una décima y una centésima del ancho de un cabello humano.
Esto permitiría almacenamiento de muy alta densidad y dispositivos de almacenamiento más pequeños.
Pero nuevamente hay un obstáculo. Hasta ahora, los físicos han podido manipular fácilmente skyrmions en materiales con menor densidad de nodos electrónicos, pero no en los nodos de alta densidad en los que están más interesados.
Una gran decepción es que no existe una estrategia real para encontrar el material anfitrión de Skyrmion adecuado. El enfoque actual es hacer una conexión, medirla, ver si encaja y hacer otra conexión si no.
Normalmente, son los químicos quienes descubren nuevos materiales optimizando las estructuras de materiales conocidos. Luego, los físicos catalogan las nuevas propiedades que surgen midiendo cuidadosamente sus propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas y mecánicas. En última instancia, los ingenieros toman un material con funciones útiles y construyen un dispositivo para utilizarlas. Todo es prueba y error.
Peor aún, los científicos tienden a informar de los experimentos exitosos sólo a sus colegas. Esto significa que diferentes grupos desperdician mucho tiempo y recursos repitiendo los mismos errores.
CEMS está estableciendo una nueva plataforma digital para hacer que este proceso sea más eficiente combinando sistemáticamente datos de experimentos de laboratorio con simulaciones de supercomputadora a través de una plataforma en línea accesible desde RIKEN (ver recuadro: UN VIAJE hacia el futuro de la ciencia de materiales). El objetivo es facilitar a los científicos comenzar con una visión del dispositivo que necesitan y trabajar hacia atrás para crear el material personalizado que satisfaga sus necesidades.
UN VIAJE hacia el futuro de la ciencia de los materiales
Sólo hay alrededor de 80 tipos de elementos con los que las personas pueden experimentar en el laboratorio cuando intentan desarrollar componentes novedosos para dispositivos. Pero los átomos de estos 80 elementos se pueden reorganizar para construir una cantidad casi infinita de nuevos materiales, y eso significa que estudiar esto requiere cantidades asombrosas de datos.
Con esto en mente, el Centro de Ciencia de la Materia Emergente (CEMS) de RIKEN está ayudando a promover «TRIP» o «Plataforma de Innovación en Investigación Transformativa de Plataformas RIKEN», una iniciativa de todo RIKEN destinada a aprovechar las diversas plataformas de datos dentro de RIKEN, conectar y desarrollar nuevas paradigmas científicos. CEMS participa en la iniciativa a través de un repositorio que combina conocimientos de experimentos de laboratorio reales con simulaciones de propiedades materiales previstas por supercomputadoras. Luego se puede utilizar la inteligencia artificial (IA) para desarrollar nuevos materiales útiles basados en las propiedades deseadas, que luego los científicos pueden sintetizar.
Takahisa Arima, subdirector de CEMS, dice que si bien el proyecto se basa en la física, se inspira en la biología, donde la IA ha demostrado un éxito considerable en la predicción correcta del plegamiento de proteínas en los últimos años, lo que alguna vez fue uno de los mayores problemas abiertos para los biólogos. . «Pero el desafío para la ciencia de los materiales es mucho mayor porque hay muchos más componentes básicos», afirma Arima.
De cara al futuro, TRIP pretende incorporar simulaciones y predicciones de computadoras cuánticas (máquinas que se están desarrollando y que tienen el potencial de superar a las supercomputadoras actuales) para abordar estos problemas. “Somos pioneros en la transformación digital de la ciencia”, afirma Arima.
Al crecer, Arima tenía ambiciones muy diferentes. “Quería ser meteorólogo y predecir el tiempo. Pero en la universidad cambié de opinión cuando me di cuenta de cuántos factores complejos entran en juego cuando se intenta predecir, y mucho menos manipular, la trayectoria de un tifón, por ejemplo”, dice.
“Por el contrario, la física de la materia condensada ofrece una claridad y un control tentadores. Las propiedades de los materiales son muy diversas, pero se crean por el simple comportamiento de los electrones y los núcleos de los átomos.» Combinado con una creciente potencia informática, esto significa, dice, que los materiales deberían tener el poder de cambiar nuestras vidas más rápido de lo que pensamos.
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