Química Teórica y Computacional de Materiales (QTCMAT)

El Grupo de Química Teórica y Computacional de Materiales (QTCMAT) de la Universidad de Oviedo trabaja en la modelización computacional de materiales. El grupo lo forman profesores e investigadores de la Facultad de Química de la Universidad de Oviedo. La investigación en QTCMAT se articula en tres líneas:

• Metodológica: Desarrollo y análisis de nuevos métodos para la descripción mecanocuántica de materiales. QTCMAT desarrolla metodologías de primeros principios, en su mayoría basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT), para la predicción e interpretación de propiedades estructurales, termodinámicas, electrónicas, magnéticas y de enlace en sólidos.

• Computacional: Implementación de la metodología en programas de código abierto para su utilización por el grupo y por la comunidad científica. El software generado por QTCMAT se hace público a través de licencias y repositorios abiertos.

• Aplicado: Resolución de retos científicos y sociales en el ámbito de la energía desde la química computacional de materiales.

Líneas de investigación

• Materiales y minerales en condiciones extremas. El grupo mantiene históricamente una línea de investigación en colaboración con la comunidad internacional dedicada a explorar la respuesta a las altas presiones y altas y bajas temperaturas de los constituyentes planetarios y de materiales de interés tecnológico. La lista incluye clatratos hidratos de gas, óxidos de interés geoquímico, materiales superduros, superconductores, disoluciones sólidas o materiales termoquímicos. El énfasis está dirigido a las transiciones de fase, la identificación de las estructuras emergentes, el entendimiento de la “nueva” Química que domina el comportamiento de la materia en esas condiciones y las aplicaciones en el sector energético que surgen de los materiales en estas condiciones. QTCMAT es miembro fundador de la red MALTA, que agrupa a la comunidad española de investigación en materiales a altas presiones.

• Materiales termoeléctricos para la recuperación de calor residual. El calor es la forma degradada por excelencia de la energía. Los materiales termoeléctricos permiten recuperarlo en forma de electricidad. Predecimos y optimizamos computacionalmente nuevas fases termoeléctricas combinando la predicción de estructuras cristalinas con el cálculo de propiedades de transporte y de la figura de mérito zT.

• Circularidad del carbono: captura y almacenamiento de CO₂ en forma de carbonatos. La carbonatación (la fijación de CO₂ como carbonatos minerales) es una vía de almacenamiento permanente y de bajo impacto ambiental, pero el destino último de los carbonatos en el interior de la Tierra (el “ciclo del carbono profundo”) es en gran medida desconocido. Calculamos los diagramas de fase presión-temperatura de los carbonatos hidratados, básicos y silicato-carbonatos en las condiciones de la geoterma terrestre, en colaboración teórico-experimental estable con el grupo de altas presiones de la Universidad de Valencia.

• Modelización y predicción de estructuras de materiales moleculares. Los compuestos moleculares de interés industrial (fármacos, pigmentos, explosivos, semiconductores orgánicos) cristalizan en varias formas (polimorfos) cuyas propiedades pueden ser muy distintas entre sí. La predicción de estructuras cristalinas (CSP, crystal structure prediction) consiste en determinar, a partir únicamente del diagrama molecular, qué empaquetamientos puede adoptar un compuesto y cuál de ellos es el estable en unas condiciones dadas. Es un problema computacionalmente exigente: obliga a explorar un espacio enorme de estructuras candidatas y a ordenarlas energéticamente cuando las separan diferencias de menos de 1 kJ/mol, lo que requiere una descripción precisa de las interacciones débiles y de los efectos térmicos. QTCMAT desarrolla y aplica los métodos que esto exige: modelos de dispersión, métodos para el cribado rápido de estructuras, cálculo de energías libres y comparación de las estructuras predichas con datos experimentales. El grupo es el único participante español en el séptimo blind test de predicción de estructuras cristalinas del CCDC, el ejercicio de referencia internacional en este campo.

• Desarrollo metodológico y software de código abierto. QTCMAT es autor y responsable del mantenimiento de critic2 (análisis del enlace químico y de la estructura cristalina) y de gibbs2 (termodinámica de sólidos a presión y temperatura), además de contribuir a códigos de amplia difusión como FHI-aims, Quantum ESPRESSO, NWChem y otros.