NTBuilder: Commensurate Construction of Nanotubes from Arbitrary Two-Dimensional Crystals and a Catalog of 20 Million Structures
Este artículo presenta NTBuilder, una teoría general y una herramienta de código abierto para la construcción de nanotubos a partir de cristales bidimensionales arbitrarios que permite la creación de un catálogo público que contiene más de 20 millones de estructuras derivadas de 46.403 sistemas 2D distintos.
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La ciencia de materiales ha entrado en una era en la que los científicos pueden diseñar y estudiar materiales átomo por átomo, partiendo a menudo de láminas planas y bidimensionales que tienen solo una capa de átomos de espesor. Desde el descubrimiento del grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, los investigadores han encontrado miles de otros materiales que pueden existir en esta forma plana. Estas láminas poseen propiedades únicas, como una resistencia increíble o la capacidad de conducir electricidad de formas que los materiales voluminosos no pueden. Un siguiente paso natural en la exploración de estos materiales es enrollarlos para formar diminutos cilindros, conocidos como nanotubos. Estos tubos son esencialmente estructuras unidimensionales que podrían servir como los bloques de construcción para la futura electrónica, sensores o fibras ultra resistentes. Sin embargo, aunque los científicos han sabido durante mucho tiempo cómo enrollar el patrón específico de panal del grafeno, carecían de un método universal para enrollar los miles de otros cristales planos más complejos que se han descubierto. Sin una regla general, la creación de un nanotubo a partir de un nuevo material requería empezar desde cero, lo que a menudo resultaba en tubos demasiado grandes para ser estudiados o imposibles de construir con las herramientas disponibles.
Un investigador ha resuelto ahora este problema mediante el desarrollo de una teoría general para enrollar cualquier cristal bidimensional en un tubo sin costuras y la transformación de esa teoría en una herramienta de software gratuita y de código abierto llamada NTBuilder. El núcleo de su descubrimiento es una visión matemática que explica por qué algunos materiales planos se enrollan fácilmente en tubos pequeños y manejables, mientras que otros requieren estructuras imposiblemente grandes para cerrar el bucle perfectamente. Para materiales con ciertos patrones simétricos, como triángulos o cuadrados, el tubo se cierra nítidamente con un número pequeño de átomos. Pero para materiales con patrones rectangulares o inclinados, la condición matemática exacta para cerrar el tubo perfectamente exige a menudo una celda unidad —un bloque repetitivo de átomos— que es miles de millones de veces más grande de lo que una computadora puede manejar. El investigador descubrió que, si bien un tubo perfecto podría ser demasiado grande para ser estudiado, uno puede elegir un tubo ligeramente imperfecto que sea lo suficientemente pequeño para ser analizado, siendo el error en su forma tan minúsculo que resulta insignificante para los cálculos prácticos. Este compromiso permite a los científicos elegir el mejor tamaño de tubo posible para sus necesidades sin quedarse estancados en el requisito imposible de la perfección.
Utilizando este nuevo marco de trabajo, el investigador construyó un catálogo masivo de más de 20 millones de nanotubos distintos derivados de 46.403 diferentes materiales bidimensionales encontrados en bases de datos públicas. Esto no es solo una lista de nombres; es una colección de estructuras 3D reales que pueden descargarse y utilizarse inmediatamente en simulaciones por computadora para predecir cómo se comportarán estos materiales. El software comprueba automáticamente cada tubo potencial para ver si el acto de enrollarlo estira o comprime los átomos tanto como para que los enlaces químicos se rompan o se formen otros nuevos. Encontraron que, para más de la mitad de los materiales en su catálogo, el enrollar la lámina en un tubo no cambia el patrón de enlace en absoluto, lo que significa que el tubo conserva el carácter químico exacto de la lámina plana. Para los demás, el software identifica exactamente qué enlaces se alteran, proporcionando datos cruciales para comprender cómo cambian las propiedades del material cuando se curva.
La herramienta también gestiona escenarios más complejos, como la construcción de tubos de paredes múltiples donde varias capas se anidan una dentro de otra, o la creación de haces de tubos agrupados como una cuerda. Incluso puede aplicar giros o estiramientos a estas estructuras manteniendo su periodicidad matemática, lo cual es esencial para realizar simulaciones precisas. El investigador aplicó su método a una vasta gama de materiales, incluyendo redes de carbono, compuestos metálicos y formas exóticas de la materia, generando un recurso público que cubre un amplio espectro de elementos químicos. Al poner este software y el catálogo resultante a disposición gratuita, el investigador ha eliminado la barrera que anteriormente impedía a los científicos estudiar nanotubos hechos de cualquier otra cosa que no fuera grafeno. Este trabajo transforma el proceso de exploración de los nanotubos de un esfuerzo laborioso, material por material, en una exploración sistemática y automatizada de un vasto nuevo paisaje de materiales unidimensionales.
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