Investigadores de Caltech y Google han desarrollado un método de alto rendimiento para identificar materiales novedosos con propiedades interesantes. El proceso funciona al combinar la automatización informática con una impresora de inyección de tinta utilizada originalmente para imprimir diseños de camisetas.
En una prueba, examinaron cientos de miles de posibles materiales nuevos y descubrieron uno hecho de cobalto, tántalo y estaño que tiene una transparencia ajustable y actúa como un buen catalizador para reacciones químicas mientras permanece estable en electrolitos ácidos fuertes.
El trabajo, descrito en un artículo científico publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), fue dirigido por John Gregoire y Joel Haber de Caltech, y Lusann Yang de Google. Se basa en la investigación realizada en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP), un Centro de Innovación Energética del Departamento de Energía (DOE) en Caltech, y continúa con el sucesor de JCAP, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), un esfuerzo financiado por el DOE que tiene como objetivo para simplificar los complicados pasos necesarios para convertir la luz solar en combustibles, para que ese proceso sea más eficiente.
"El descubrimiento de materiales puede ser un proceso sombrío. Si no puede predecir dónde encontrar las propiedades deseadas, podría pasar toda su carrera mezclando elementos aleatorios y nunca encontrar nada interesante", dice en un comunicado Gregoire, profesor de investigación de física aplicada y ciencia de los materiales. investigador en JCAP y líder del equipo LiSA.
Al combinar una pequeña cantidad de elementos individuales, los científicos de materiales a menudo pueden hacer predicciones sobre las propiedades que podría tener un nuevo material en función de sus partes constituyentes. Sin embargo, ese proceso se vuelve rápidamente insostenible cuando se hacen mezclas más complicadas.
"Cualquier cosa más de dos elementos se considera 'de alta dimensión' en la ciencia de los materiales", dice Gregoire y agrega: "la mayoría o todos los óxidos de uno y dos metales ya se conocen. La frontera desconocida son tres o más juntos". Los óxidos metálicos son materiales sólidos que contienen iones o cationes metálicos con carga positiva e iones o aniones de oxígeno con carga negativa; el óxido, por ejemplo, es óxido de hierro.
La mayoría de los materiales de la corteza terrestre son óxidos metálicos, porque el oxígeno de la atmósfera reacciona con varios metales de la corteza del planeta. La estabilidad medioambiental de los óxidos metálicos los hace prácticamente útiles, siempre que se puedan identificar composiciones específicas de dichos óxidos que proporcionen las propiedades mecánicas, ópticas, electrónicas y químicas necesarias para una tecnología determinada.
Aunque los científicos de materiales han demostrado cómo todas estas propiedades se pueden ajustar mediante el uso de varios óxidos metálicos, lograr las propiedades necesarias para una aplicación particular puede requerir combinaciones específicas de múltiples elementos, y encontrar los correctos es un desafío abrumador.
Para abordar la frontera de los tres o más óxidos metálicos, el grupo de Gregoire se basó en el trabajo de una década de JCAP. Allí, los investigadores han desarrollado métodos para crear 100.000 materiales por día. Uno de esos materiales, descubierto en este estudio, se produjo mediante el uso de impresoras de inyección de tinta reutilizadas para "imprimir" nuevos materiales en láminas de vidrio. Cada combinación de elementos se imprimió como una línea con una gradación de la relación entre sus componentes y luego se oxidó a alta temperatura.
Luego, cada uno de esos materiales se escaneó y se tomó una imagen en Caltech utilizando una técnica de imagen hiperespectral desarrollada en conjunto con Google que puede capturar información rápidamente sobre el material al registrar la cantidad de luz que absorbe en nueve longitudes de onda diferentes. "No es un análisis completo del material, pero es rápido y ofrece pistas sobre las composiciones con propiedades interesantes", dice Haber, químico investigador e ingeniero de materiales en JCAP y LiSA.
En total, el equipo de Caltech creó 376.752 combinaciones de tres óxidos metálicos basadas en 10 elementos metálicos y produjo muestras de cada combinación individual en 10 momentos diferentes para detectar y eliminar cualquier defecto en el proceso de síntesis. "La impresión puede tener artefactos, que es el sacrificio que haces por la velocidad. Los análisis de Google nos enseñaron a hacer todo 10 veces para generar confianza en los resultados", dice Gregoire.
Aunque imperfecto, el proceso crea materiales de tres metales unas 1.000 veces más rápido que las técnicas tradicionales como la deposición de vapor, en la que el nuevo material se recubre sobre un sustrato condensándolo a partir de un vapor.
Luego, los ingenieros informáticos de Google crearon algoritmos para procesar las imágenes hiperespectrales y buscaron composiciones específicas cuyas propiedades ópticas solo pueden explicarse mediante interacciones químicas entre los tres elementos metálicos.