• Un nuevo estudio demuestra cómo las simulaciones multiescala pueden revelar cuándo las interfases a escala nanométrica mejoran las propiedades de los nanocompuestos.
• Este avance permitirá identificar combinaciones prometedoras de materiales antes de su síntesis y caracterización experimental.

Un equipo de investigación español ha demostrado un enfoque computacional capaz de predecir cómo las interacciones en la frontera entre distintos materiales pueden influir en el rendimiento de los nanocompuestos.

La investigación, llevada a cabo por el Instituto IMDEA Materiales y BCMaterials, fue recientemente destacada en la portada del número especial Advanced Materials in Spain de la revista Advanced Materials, una de las publicaciones científicas más prestigiosas del mundo en el ámbito de la ciencia de materiales. Este número especial reúne contribuciones de grupos de investigación españoles dedicados a los materiales avanzados y surge en el marco del Programa Español de Materiales Avanzados.

Los nanocompuestos combinan dos o más materiales para obtener propiedades que difícilmente podrían lograrse con un único componente. Sin embargo, su comportamiento no siempre puede predecirse únicamente a partir de las propiedades y proporciones de sus constituyentes individuales.

Una de las razones es la formación de una interfase, una región a escala nanométrica que se genera cuando dos materiales distintos entran en contacto.

“Cuando dos materiales se combinan a escala nanométrica, la región entre ellos no constituye simplemente una frontera bien definida”, explica el Dr. Maciej Haranczyk, investigador principal del Instituto IMDEA Materiales y uno de los autores del estudio. “Se forma una interfase con propiedades que pueden diferir de las de cualquiera de los materiales constituyentes. En las condiciones adecuadas, esta región puede contribuir de forma significativa al comportamiento del material compuesto en su conjunto”.

Estos efectos asociados a la interfase pueden dar lugar a un comportamiento sinérgico, en el que una propiedad medida del nanocompuesto supera el valor previsto por los modelos convencionales de mezclas.

Este tipo de fenómenos ya se había observado experimentalmente en nanocompuestos para propiedades como el transporte térmico y el transporte iónico, es decir, el movimiento de calor y de iones cargados a través de un material. Sin embargo, la identificación de combinaciones prometedoras ha requerido tradicionalmente que los materiales fueran sintetizados y caracterizados previamente.

El nuevo trabajo demuestra que las simulaciones pueden utilizarse para evaluar la contribución de la interfase antes de la fabricación del material.

Mediante simulaciones atomísticas, los investigadores calcularon las propiedades asociadas a la región nanométrica existente entre los materiales constituyentes. Posteriormente, estos resultados se incorporaron a modelos continuos de mayor escala para predecir el comportamiento del material compuesto completo.

“El avance clave es que podemos representar explícitamente la interfase y examinar cómo modifica la propiedad macroscópica predicha”, señala el Dr. Haranczyk. “Esto abre la posibilidad de evaluar computacionalmente distintas combinaciones de materiales e identificar aquellas en las que los efectos de la interfase puedan generar comportamientos especialmente interesantes antes de invertir recursos en su síntesis experimental”.

Del cribado experimental al diseño guiado por simulación

Los investigadores demostraron este enfoque utilizando redes metalorgánicas (MOFs por sus siglas en inglés) incorporadas en polímeros.

Los MOFs son materiales cristalinos altamente porosos con aplicaciones potenciales en ámbitos que van desde la separación molecular hasta las tecnologías energéticas. Para muchas aplicaciones prácticas, estos materiales se incorporan a matrices poliméricas para formar materiales compuestos MOF-polímero o materiales de matriz mixta.

Predecir las propiedades de estos materiales compuestos resulta complejo, ya que su comportamiento depende no solo del MOF y del polímero por separado, sino también de la región nanométrica o interfase que se forma entre ambos materiales.

Para abordar este desafío, el equipo desarrolló un marco de simulación multiescala que combina simulaciones atomísticas de dinámica molecular con modelos continuos basados en principios físicos.

En el estudio del transporte térmico, las simulaciones atomísticas se emplearon para describir la transferencia de calor a través de la interfase MOF-polímero a escala nanométrica. La información obtenida se incorporó posteriormente a modelos continuos capaces de predecir la conductividad térmica de la estructura compuesta a mayor escala.

En total, se investigaron tres sistemas de nanocompuestos MOF-polímero. En uno de los sistemas basado en HKUST-1, la inclusión explícita de la contribución de la interfase dio lugar a una conductividad térmica predicha aproximadamente un 30 % superior a la obtenida mediante un modelo de referencia que no consideraba dicha contribución.

Es importante destacar que este aumento no se observó en todas las combinaciones analizadas. Otro de los sistemas MOF-polímero estudiados no mostró ninguna mejora comparable.

Esta diferencia es significativa porque demuestra que una mayor capacidad de transporte térmico no es una consecuencia automática de la formación de un nanocompuesto. Por el contrario, depende de las interacciones específicas y de las propiedades de transporte de la interfase generada por cada combinación particular de materiales.

“La sinergia no es un fenómeno universal”, afirma el Dr. Haranczyk. “Precisamente por eso las herramientas predictivas resultan tan valiosas. El objetivo no es únicamente explicar una mejora una vez observada, sino comprender qué combinaciones tienen más probabilidades de generar efectos favorables en la interfase y cuáles no”.

La investigación se llevó a cabo principalmente en el marco del proyecto M4MID, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, desarrollado en el Instituto IMDEA Materiales y liderado por la Dra. Phuong Vo.

Los investigadores consideran que este enfoque podría contribuir a una transición más amplia desde estrategias de descubrimiento de materiales basadas en un intenso trabajo experimental hacia metodologías guiadas por simulación, especialmente en sistemas en los que las interfaces y las interfases desempeñan un papel determinante en las propiedades macroscópicas.

“En última instancia, este tipo de modelización multiescala podría ayudarnos a explorar espacios de materiales mucho más amplios y desarrollar nanocompuestos en los que la propia interfase se convierta en un elemento deliberado del diseño. A largo plazo, este enfoque podría favorecer el desarrollo de nuevos materiales compuestos para aplicaciones que abarcan desde la separación molecular y la captura de carbono hasta diversas tecnologías energéticas”.

Esta investigación fue financiada parcialmente por la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención 101067497. No obstante, las opiniones y puntos de vista expresados son responsabilidad exclusiva de los autores y no reflejan necesariamente los de la Unión Europea. Ni la Unión Europea ni la autoridad concedente pueden ser consideradas responsables de ellos.