Un "patrón oro" para los códigos de ciencia computacional de materiales
Los físicos y los científicos de materiales pueden elegir entre toda una familia de códigos informáticos que simulan el comportamiento de los materiales y predicen sus propiedades. La precisión de los resultados obtenidos por estos códigos depende de las aproximaciones empleadas y de los parámetros numéricos elegidos. Para comprobar que los resultados de los distintos códigos son comparables, coherentes entre sí y reproducibles, un amplio grupo de científicos realizó el estudio de verificación más completo realizado hasta la fecha. Publicado en el primer número de 2024 de Nature Reviews Physics, proporciona un conjunto de datos de referencia y una serie de directrices para evaluar y mejorar los códigos existentes y futuros.
Representación artística de las ecuaciones de estado de los elementos de la tabla periódica. En la tabla se representan las diez estructuras cristalinas diferentes simuladas para cada uno de los 96 elementos estudiados. La ilustración aparece en la portada del número de enero de 2024 de Nature Reviews Physics.
Giovanni Pizzi, EPFL
Los códigos informáticos utilizados por físicos y científicos de materiales de todo el mundo son la base de decenas de miles de artículos científicos al año. Estos códigos suelen basarse en la teoría funcional de la densidad (DFT), un método de modelización que utiliza varias aproximaciones para reducir la complejidad, de otro modo alucinante, de calcular el comportamiento de los electrones según las leyes de la mecánica cuántica. Las diferencias entre los resultados obtenidos con los distintos códigos se reducen a las aproximaciones numéricas que se realizan y a la elección de los parámetros numéricos que subyacen a esas aproximaciones, a menudo adaptadas para estudiar clases específicas de materiales o para calcular propiedades que son clave para aplicaciones concretas (por ejemplo, la conductividad de posibles materiales para baterías).
En el artículo publicado recientemente en Nature Reviews Physics, los autores presentan el esfuerzo de verificación más completo realizado hasta la fecha sobre códigos DFT de estado sólido y proporcionan a sus colegas las herramientas y un conjunto de directrices para evaluar y mejorar los códigos existentes y futuros. El proyecto fue dirigido y coordinado por el Centro Nacional de Diseño Computacional y Descubrimiento de Nuevos Materiales (MARVEL) de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL, Suiza). El Prof. Thomas D. Kühne, Director del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) -un instituto del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf-, y su Director Científico, el Dr. Hossein Mirhosseini, aportaron varias contribuciones importantes como parte de un equipo de desarrollo que trabaja con CP2K: un paquete de software de código abierto que puede realizar simulaciones atomísticas de sistemas de estado sólido, líquidos, moleculares, materiales, cristales y biológicos.
Más elementos, más estructuras cristalinas
El trabajo publicado se basa en un artículo de Science de 2016 que se centraba en una comparación de 40 enfoques computacionales utilizando cada uno de ellos para calcular las energías de un conjunto de prueba de 71 cristales, cada uno de los cuales correspondía a un elemento de la tabla periódica. Los autores llegaron a la conclusión de que los principales códigos coincidían muy bien entre sí. "Aquel trabajo era tranquilizador, pero no exploraba realmente la suficiente diversidad química", afirma el Dr. Giovanni Pizzi, jefe del Grupo de Software y Datos de Materiales del Instituto Paul Scherrer PSI de Villigen (Suiza) y autor correspondiente del nuevo artículo. "En este estudio consideramos 96 elementos, y para cada uno de ellos simulamos diez posibles estructuras cristalinas". En concreto, para cada uno de los 96 primeros elementos de la tabla periódica se estudiaron cuatro unarios y seis óxidos diferentes. Los unarios son cristales formados sólo con átomos del propio elemento, los óxidos incluyen también átomos de oxígeno. El resultado es un conjunto de datos de 960 materiales y sus propiedades, calculados por dos códigos totalmente electrónicos independientes, FLEUR y WIEN2k, que consideran explícitamente todos los electrones de los átomos considerados.
Este conjunto de datos puede ser utilizado ahora por cualquiera como referencia para comprobar la precisión de otros códigos, en particular los basados en pseudopotenciales, en los que, a diferencia de los códigos totalmente electrónicos, los electrones que no participan en los enlaces químicos se tratan de forma simplificada para aligerar el cálculo. Los autores compararon los resultados de nueve de estos códigos con los obtenidos por los códigos totalmente electrónicos. "Junto con otros miembros del equipo CP2K, en CASUS fuimos responsables del desarrollo de flujos de trabajo y protocolos de cálculo estándar, así como de la realización de cálculos con dos métodos pseudopotenciales implementados en el software CP2K, Quickstep y SIRIUS", explica Mirhosseini. "Esto significa que hemos comparado la ecuación de estados de los 960 cristales calculados con los dos métodos con los resultados de referencia de todos los electrones. Nuestros resultados podrían servir de base para mejorar los métodos implementados en CP2K", añade.
El estudio también incluye una serie de recomendaciones para los usuarios de códigos DFT, para asegurarse de que los estudios computacionales son reproducibles, sobre cómo utilizar el conjunto de datos de referencia para realizar futuros estudios de verificación y sobre cómo ampliarlo para incluir otras familias de códigos y otras propiedades de los materiales. "Esperamos que nuestro conjunto de datos sea una referencia en este campo durante muchos años", afirma Pizzi.
Ampliar el conjunto de datos, formar a los investigadores
Tras haber demostrado la importancia del conjunto de datos de referencia, uno de los principales objetivos es ahora ampliarlo con más estructuras y propiedades más complejas calculadas con funcionales más avanzados. Pero los retos son aún mayores: En lugar de centrarse exclusivamente en la precisión de los distintos códigos, el equipo también tiene previsto tener en cuenta su coste en términos de tiempo y potencia de cálculo. Esto ayudaría a los científicos a encontrar la forma más rentable de realizar sus cálculos.
Junto a estos avances, ya se ha formado un consorcio aún mayor. Sin embargo, no se ocupa principalmente de moléculas o códigos. Su objetivo es la próxima generación de investigadores. "Hay que concienciar a los estudiantes de doctorado y a los postdoctorales que empiezan su carrera de la importancia de validar y evaluar los resultados de los modelos de DFT", dice Kühne. "De ahí que el consorcio vaya a potenciar las habilidades de estos jóvenes investigadores para que sean capaces de implementar procesos de verificación de códigos en sus proyectos de investigación. Los beneficios son evidentes e incluyen una mejora de la precisión en general, así como un coste computacional optimizado en función de la precisión deseada."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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