Cálculo de propiedades estructurales y dinámicas de metales líquidos por medio de simulación computacional

Abstract

En años recientes se han hecho estudios extensivos de una gran variedad de líquidos iónicos, covalentes y metálicos [1-9] para entender el comportamiento estructural y dinámico desde un punto de vista microscópico. Uno de los pioneros en investigar la estructura de los metales líquidos fue Frank [ 1 O], hace más de 50 años, quien propuso que los líquidos con interacciones centro-simétricas podrían estar construidos de unidades con simetría tetraedral. Por otra parte, el movimiento atómico en los líquidos puede separarse en uno vibracional, alrededor de puntos fijos, debido a efectos térmicos (comportamiento de sólido) y en otro difusivo donde intervienen interacciones sucesivas entre ellos (comportamiento de gas). Esta separación se puede hacer debido a la diferencia de los regímenes del tiempo de ambos movimientos durante el cambio constante de las configuraciones atómicas. La agregación y disoeiación atómica son, por tanto, características en la dinámica del líquido. Los avances tecnológicos en la construcción de computadoras más rápidas y capaces ha propiciado que la simulación por computadora de sistemas físicos consolide el doble papel que juega en la investigación científica, es decir, si no se tienen resultados experimentales del sistema bajo estudio, la simulación jugaría el papel del experimento y al comparar estos resultados con aquellos obtenidos por teorías aproximadas, validarían o no validarían las aproximaciones de estas teorías. Por otro lado, si tenemos resultados experimentales con los cuales comparar los resultados de la simulación, se utilizarían para validar el modelo empleado para representar la interacción entre los elementos del sistema y a su vez nos permitiría comprender el comportamiento del sistema bajo estudio. Los métodos de simulación computacional más exactos con los que se cuenta hoy en día son los métodos ab initio, Estos métodos se basan en las leyes de la mecánica cuántica, por eso se les llama también de primeros principios, y sus cálculos están dirigidos a resolver la ecuación de Schrodinger usando una serie de aproximaciones matemáticas [ 11-13]. Por ejemplo, en el método ab initio de Car-Parrinello se construye un lagrangiano mixto clásico-cuántico para los electrones y núcleos, donde los electrones se describen mediante funciones de onda y los núcleos son representados por un conjunto de coordenadas [14]. Este método permite hacer simulación con dinámica molecular debido a que las fuerzas que se ejercen sobre los átomos se derivan del estado base electrónico dentro del esquema de la Teoría de Funcional de la Densidad.