¿Cómo fluiría un líquido a través de canales de escala nano revestidos por polímeros? ¿Cómo se podría mejorar la extracción del calor que generan los dispositivos electrónicos? ¿Se pueden usar métodos electroquímicos para separar los isótopos del litio para aplicaciones en tecnología nuclear? ¿Es posible convertir el dióxido de carbono de la atmósfera en combustible? Estos son algunos de los interrogantes para los que busca respuestas la División Teoría del Departamento de Física de la Materia Condensada, que depende de la Gerencia de Investigación y Aplicaciones de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Para resolverlos cuenta con una poderosa aliada: una supercomputadora con la capacidad de hacer 10.000 millones de operaciones por segundo.

La División Teoría está abocada principalmente a la ciencia básica: genera conocimientos que la ciencia aplicada usa como sustento para elaborar soluciones prácticas para diferentes problemas científicos en general y necesidades del área nuclear en particular. La jefa de este equipo, la doctora en Física Verónica Vildosola, explica: “Nuestro objetivo es estudiar las propiedades físicas y físicoquímicas de distintos tipos de materiales y sistemas de interés para la CNEA y también responder problemas fundamentales de las ciencias básicas. Para esto nos valemos de diversas técnicas que utilizan tanto herramientas de la mecánica cuántica como de la mecánica estadística”.

La mecánica estadística es la rama de la Física que se vale de la teoría de la probabilidad para deducir el comportamiento de sistemas macroscópicos, que son los que están formados por miles de millones de partículas, como los sólidos, los líquidos o los gases. Mientras tanto, la mecánica cuántica estudia los cuerpos a escala muy pequeña, los sistemas atómicos y subatómicos, así como sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas.

La supercomputadora es utilizada para hacer simulaciones y estudiar cómo se comportaría un sistema. Se utilizan códigos de primeros principios basados en la mecánica cuántica; de dinámica molecular, que analiza el comportamiento de un sistema físico, químico o biológico a través del tiempo calculando las fuerzas entre sus átomos mediante las ecuaciones del movimiento de Newton, y Montecarlo. Este último método es una técnica matemática que, con la ayuda de la estadística, predice los posibles resultados de un evento incierto.

Hacer pruebas mediante simulaciones ofrece la posibilidad de controlar en detalle el sistema, así como de observar cada uno de sus elementos en particular. “Es como utilizar un microscopio superpoderoso, pero virtual, que permite ver cosas que en un microscopio normal no se podrían observar”, compara el doctor en Física Claudio Pastorino, que utiliza esta herramienta para estudiar la física de los polímeros, que es la de las grandes moléculas compuestas por la unión de moléculas más pequeñas.

La supercomputadora fue bautizada como Sol 67 y convive con otras más pequeñas en el Laboratorio de Simulación, Diseño y Modelado Computacional (LABSIM). La utilizan a tiempo completo 14 investigadores y 12 estudiantes no solo para sus trabajos, sino para la formación de recursos humanos tanto de distintas dependencias de la CNEA como de diversas instituciones de ciencia y técnica.

Ubicado en una sala con una refrigeración especial, el LABSIM cuenta con 50 nodos que reúnen 1.000 núcleos de procesamiento que trabajan en paralelo y sin detenerse nunca. De esta manera pueden resolver mucho más rápido los problemas planteados. Lo que en una computadora común requeriría un mes, aquí se resuelve en un día. La memoria RAM de esta supercomputadora es de 3 Terabytes y tiene capacidad para almacenar 54TB. Sus nodos se comunican a través de una red mucho más veloz que Internet, llamada InfiniBand.

Algunas líneas de investigación

Entre otras investigaciones, actualmente el LABSIM se utiliza en los siguientes proyectos:

• Flujo de líquidos y gotas en la nano-escala con aplicaciones en microfluídica. La microfluídica busca generar procesos bioquímicos o físico-químicos complejos dentro de un chip por el que fluyen líquidos en lugar de corriente eléctrica. Un ejemplo de su uso es el “lab-on-chip”, un minúsculo laboratorio para diagnosticar enfermedades. Para aplicaciones como esta, es fundamental poder controlar cómo circula el líquido por el chip.

“Utilizamos la supercomputadora para hacer simulaciones de dinámica molecular fuera de equilibrio, con el fin de estudiar el flujo de líquidos simples y complejos confinados en nano-canales. Las paredes de esos nano-canales están revestidas con polímeros que modifican la forma en que fluye el líquido o lo convierten en gotas que, a su vez, después pueden transformarse en carriers para, por ejemplo, llevar una medicación”, detalla Pastorino.

• Separación isotópica de litio por métodos electroquímicos para aplicaciones en tecnología nuclear. Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico con la misma cantidad de protones, pero distinto número de neutrones. En el caso del litio, tiene un isótopo pesado (7Li) con 3 protones, 4 neutrones y 3 electrones, y uno liviano (6Li) que tiene un neutrón menos. Cada uno de ellos sirve para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, el litio pesado se usa para proteger de la corrosión al circuito primario de los reactores nucleares de agua pesada. El litio liviano se utiliza en centelladores, como los que se emplean para hacer diagnósticos médicos por imágenes. También es el futuro combustible de los reactores de fusión o soles artificiales.

“Nosotros estudiamos el desarrollo de un método para separar los isótopos del litio -cuenta Vildosola-. El método actual para hacerlo utiliza mercurio y es muy contaminante. En la CNEA investigamos alternativas sustentables, en particular, en el Centro Atómico Constituyentes trabajamos con métodos electroquímicos. En una celda similar a la de las baterías de ion litio, si se eligen bien los materiales, el litio se deposita en diferente proporción a la natural y se pueden separar sus isótopos. Las simulaciones nos permiten entender los mecanismos que dan lugar al fraccionamiento isotópico y analizar el comportamiento de distintos materiales”.
Por otro lado, hay un grupo que investiga nuevos materiales y aplicaciones de baterías de litio.

• Transferencia de calor a escala nanoscópica en interfaces líquido-vapor. Este proyecto investiga el flujo de calor desde una pared caliente hacia otra más fría atravesando una fase gaseosa y otra líquida, como ocurre en intercambiadores de calor que se utilizan para generación eléctrica. El objetivo es entender el efecto de los polímeros fijados en la pared en la transferencia de calor, es decir si contribuyen a remover o absorber el calor más eficientemente.
  Los fenómenos de transferencia de calor tienen una gran importancia en un amplísimo rango de aplicaciones que van desde los procesos de generación y conversión de energía, el enfriamiento de motores o la criogenia hasta los dispositivos electrónicos. En el futuro, estas aplicaciones requerirán un funcionamiento a mayor densidad de energía, lo que implicará una mayor generación de calor, que deberá ser removido de manera más eficiente.

A su vez, el flujo de calor puede dar lugar a cambios de fase, como en procesos de condensación o ebullición. Estos fenómenos se utilizan en plantas de potencia eléctrica, desalinización térmica, calefacción y refrigeración doméstica, enfriamiento de dispositivos electrónicos y recuperación de calor desechado. Una mejora en la eficiencia de los procesos de transferencia de calor implicaría un gran impacto, tanto ambiental como económico. Además, uno de los desafíos más importantes para continuar la carrera de miniaturización de los dispositivos electrónicos es lograr una extracción eficiente del calor que se genera en estos.

• Propiedades electrónicas de materiales topológicos. Los materiales topológicos se caracterizan por tener propiedades de simetría en su interior que afectan de manera particular el comportamiento de los estados de sus superficies o bordes, los que son robustos a imperfecciones como la presencia de tensiones, defectos o impurezas. Por ese motivo, se los considera prometedores en cuanto a su potencial aplicación en computación cuántica, al desarrollo de novedosos dispositivos electrónicos y a la ciencia de materiales en general. En la CNEA se estudia el comportamiento de los estados de superficie topológicos (ETS) en presencia de moléculas adsorbidas con el fin de entenderlo con vistas a su control o manipulación. Además, se busca saber si estos materiales pueden catalizar en forma más eficiente reacciones químicas de interés en energía y medio ambiente. El proyecto consiste también en describir las propiedades electrónicas de diferentes materiales topológicos en interacción con distintas moléculas.

• Electrorreducción del dióxido de carbono. El aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera y su impacto negativo en el medio ambiente han estimulado el desarrollo de tecnologías y procesos para capturarlo y convertirlo en compuestos que puedan ser utilizados como combustibles o materias primas en procesos industriales. Estos procesos pueden darse en una celda electroquímica eligiendo componentes apropiados para los electrodos. El CO2 ingresa en forma de gas en la celda y se adhiere al material utilizado como electrodo. Luego reacciona químicamente con otras especies presentes (protones) y así se convierte en un producto diferente. Con la herramienta de la simulación computacional, en la CNEA se trabaja para comprender los fenómenos fisicoquímicos involucrados, lo que complementa la tarea experimental hecha en el laboratorio y permite diseñar materiales más eficientes para catalizar la reacción de conversión de CO2.