El clúster computacional con el que cuenta la Universidad EAFIT (Apolo) –explica Claudia Constanza Palacio Espinosa, la otra experimentalista del equipo y doctora en Ciencia de los Materialesles permite ensayar las veces que requieran sin agregar costos al proyecto. Al simular, pueden identificar si hay un material prometedor y, luego sí, ir a la experimentación.
En este proyecto, por ejemplo, se redujo el tiempo de laboratorio a dos semanas. “Podría haber tomado seis meses si no fuera por la aplicación de los conocimientos teóricos en mecánica cuántica y simulaciones computacionales corridas en Apolo, aclara Mauricio.
El diseño computacional de materiales es un método relativamente nuevo para hacer predicciones con simulaciones computacionales, basadas en teorías físicas, que permiten establecer aproximaciones de las propiedades físicas y químicas de los materiales, a escala de átomos y moléculas. Esto ahorra tiempo de laboratorio y aumenta la probabilidad de éxito en la síntesis de dichos materiales, a la vez que se puede enfocar mejor su uso en la industria.
Con métodos aleatorios, el programa propuso algunas combinaciones de los elementos y luego, con la teoría de la mecánica cuántica, se calcularon las estructuras más estables y que tuvieran mayor probabilidad de poder ser producidas experimentalmente.
También se calculó la dureza, en el contexto teórico, que era la variable que buscaban los experimentalistas. Además, la teoría no solo aportó datos respecto a la cantidad en que se debían combinar los elementos, sino también sobre otras variables del experimento.
Interpretación a escala atómica
El reto estaba en cómo interpretar los resultados de la escala atómica en el mundo macro que es en el que vivimos en la cotidianidad. La simulación matemática modela en átomos, con pocas moléculas que interactúan. En el laboratorio, en cambio, es a otra escala. Es como asumir que un ladrillo se comportará igual que un edificio. Las afectaciones en los dos niveles son diferentes.
Por eso, Mario Elkin Vélez Ruiz, el otro investigador teórico del equipo y magíster en Física, recuerda que desde la teoría se dan criterios como insumos. Es decir, el estudio a escala atómica y molecular posibilita predecir un rango de composiciones químicas en el que los materiales pueden exhibir determinadas propiedades, pero es el laboratorio el que tiene la última palabra.
Para el caso del nuevo material las concordancias fueron muy afortunadas. Los teóricos predijeron la existencia de un material, poco reportado en la literatura y con un alto índice de dureza, y los experimentalistas lo hicieron existir por primera vez en los laboratorios del Instituto Coppe en Brasil, ya que para esa época en el país no existía la infraestructura de laboratorios para realizar los experimentos.
Posteriormente caracterizaron el material, es decir, midieron sus propiedades para corroborar los resultados que se habían predicho en las simulaciones, en relación con la composición química y la dureza.
Para lograr reproducir el compuesto en Colombia fue necesario adquirir un reactor de plasma tipo Magnetron Sputtering, que fue financiado por EAFIT y Colciencias como parte de un proyecto de investigación en el que también participaron los cuatro profesores. Este equipo está en el laboratorio de Física Aplicada del Centro de Laboratorios de la Universidad.
Dentro del reactor, los tres elementos precursores (titanio, níquel y nitrógeno), dos metales y un gas, se llevan a estado de plasma para hacer reaccionar los elementos entre sí y formar una película de algunos cientos de nanómetros de espesor en la superficie que se quiere recubrir.
Finalmente, este proceso que empezó “como una curiosidad científica” –en palabras de Claudia Palacio–, derivó en la patente. Por ahora sigue estandarizar los protocolos, generalizar la metodología para otros materiales y mirar cómo se comercializará el invento. “Esta es un área de investigación que aún no tiene eco en la industria porque no se ha hecho la transferencia. La tecnología de los recubrimientos por plasma está poco establecida en Colombia. El reto es que esta industria comience a desarrollarse”.
Investigadores
Mauricio Arroyave Franco
Ingeniero electrónico y magíster en Física, Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales. En la actualidad es estudiante del doctorado en Ingeniería de Materiales, en la Universidad de Antioquia. Es el jefe del Departa- mento de Ciencias Físicas (Escuela de Ciencias) de la Universidad EAFIT, donde es integrante del Grupo de In- vestigación en Electromagnetismo Aplicado y miembro de la spin off Tecnoplasma.
Claudia Constanza Palacio Espinosa
Ingeniera metalúrgica, Universidad Industrial de Santan- der; especialista en Diseño Mecánico, Universidad EAFIT; máster en Ciencia de los Materiales y doctora en Ciencia de los Materiales –con experticia y formación en síntesis y comportamiento mecánico de materiales metálicos y cerámicos–, de la Universitè de Limoges (Francia). Es in- tegrante del Grupo de Investigación en Electromagnetismo Aplicado, profesora del Departamento de Ciencias Físicas (Escuela de Ciencias) e integrante de la spin off Tecnoplas- ma, de la Universidad EAFIT.
Jorge León David Caro
Químico, Universidad de Antioquia, y PhD en Físicoquímica Molecular, Universidad Andrés Bello (Chile). Integrante del Grupo de Investigación en Electromagnetismo Aplicado, profesor del Departamento de Ciencias Físicas, de la Es- cuela de Ciencias de la Universidad EAFIT e integrante de la spin off Tecnoplasma.
Mario Elkin Vélez Ruiz
Físico y magíster en Física, Universidad de Antioquia. Es in- vestigador y profesor del Departamento de Ciencias Físicas, de la Escuela de Ciencias de la Universidad EAFIT e integrante de la spin off Tecnoplasma. Experto en mecánica cuántica, física del estado sólido y mecánica cuántica computacional.