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Las matemáticas importan: cuántos datos construyen el futuro de todos

Los nuevos materiales conducen a nuevas innovaciones. Gorilla Glass es un gran punto de venta para los teléfonos inteligentes. Kevlar salva vidas y se ha convertido en productos de consumo. Las baterías de iones de litio han permitido una variedad de aplicaciones de almacenamiento de energía, desde aviones hasta automóviles y computadoras. Pero hay un problema.

De hecho, la creación de un material nuevo que cambie las reglas del juego es un proceso lento como el hielo, especialmente en comparación con el ritmo al que ingresan al mercado nuevos productos basados ​​en esos materiales. Tomó un poco menos de nueve años para que el Boeing 787 Dreamliner pasara de un concepto a un vuelo comercial. El desarrollo del iPhone comenzó en 2005; el teléfono estuvo en los estantes de las tiendas hasta 2007. En cambio, la creación de nuevos materiales se está moviendo mucho más lentamente, tomando alrededor de 20 años para toda la investigación y el desarrollo necesarios.

Un intento de obtener una comprensión más profunda de cómo interactúan los elementos.

En un esfuerzo por superar este estancamiento de la innovación, la Casa Blanca anunció hace dos años Iniciativa Genoma de Materiales. El proyecto tiene como objetivo reducir a la mitad el tiempo de desarrollo de nuevos materiales y reducir las inversiones monetarias necesarias. Y si el nombre le suena familiar, debería: de la misma manera que el Proyecto del Genoma Humano se propuso mapear la estructura básica de los genes humanos, la Iniciativa del Genoma de Materiales es un intento de obtener una comprensión más profunda de cómo interactúan los elementos para brindarnos un conjunto diverso de materiales y propiedades materiales. Con esta base de conocimientos, los científicos e ingenieros podrán crear nuevos materiales adaptados exactamente a las propiedades necesarias para una aplicación en particular, y podrán hacer mucho más rápido.

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Un gran número de combinaciones y arreglos atómicos pueden tener propiedades útiles. Sin embargo, la mayoría de los arreglos no serán útiles y ni siquiera se pueden sintetizar. Tratar de explorar el vasto mundo de materiales potenciales en un laboratorio sería poco práctico y simplemente imposible. Entonces, para identificar esa gran cantidad de materiales posibles, varios grupos de investigación que trabajan en la Iniciativa del Genoma de Materiales usan computadoras para modelar materiales conocidos y desconocidos. Extraen los datos resultantes para encontrar áreas que merecen un examen más detenido.

En el años de establecimiento, la iniciativa reunió a varias empresas exitosas. Éstas incluyen proyecto de materiales en el MIT y El Proyecto de Energía Limpia de Harvard. Estos dos proyectos tienen bases teóricas similares para diferentes objetivos finales. El Proyecto de Materiales del MIT se enfoca en sólidos inorgánicos, especialmente aquellos para materiales de baterías, mientras que el Proyecto de Energía Limpia examina moléculas para aplicaciones de celdas solares. Ambos funcionan con enormes bases de datos que se completan con información recopilada de los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT). DFT utiliza la mecánica cuántica para predecir muchas propiedades de las sustancias físicas reales que se modelan.

Un conjunto de datos de más de 100.000 materiales teóricos y conocidos

El proyecto de materiales del MIT comenzó hace unos ocho años y fue catalizado por el trabajo del profesor Gerbrand Ceder. Como consultor de varias empresas, Ceder examinaba una gran cantidad de materiales para determinadas aplicaciones. Pero trabajar con empresas individuales ha dejado los datos aislados y bloqueados. «La gente podría hacer cosas realmente creativas con eso si se lo diésemos al mundo y se convirtiera en un Proyecto de materiales», dice. El conjunto de datos del MIT ahora consta de más de 100.000 materiales teóricos y conocidos. Para comprender los datos y diseñar nuevos materiales, los investigadores del MIT utilizan una combinación de intuición humana y aprendizaje automático diseñada para comprender las leyes de la química.

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Del mismo modo, el Proyecto de Energía Limpia de Harvard ha creado una enorme base de datos que puede ser explorada por humanos y máquinas en busca de posibles soluciones a problemas materiales. La aventura comenzó como una pequeña prueba del concepto que examina el potencial de los materiales orgánicos de las células solares. Los investigadores calcularon las propiedades de unos 15 compuestos para predecir qué tan bien podrían funcionar estas nuevas sustancias en el mundo real sin tener que sintetizarlas primero. Estos cálculos finalmente dieron un nuevo compuesto con propiedades eléctricas casi récord. Pero este éxito se debió únicamente a unos pocos productos químicos calculados por un solo estudiante de posgrado. ¿Qué podría descubrirse si aumentara la potencia informática disponible distribuyendo los cálculos de un ejército de voluntarios?

Los investigadores han calculado millones de compuestos potenciales en las células solares

Hoy, el Proyecto de Energía Limpia de Harvard hace exactamente eso: cualquier persona en el mundo puede descargar un programa que realiza cálculos científicos en sus computadoras e informa los resultados. Con este enorme recurso a su disposición, los investigadores han calculado millones de posibles compuestos de células solares, y apenas están comenzando. «Este es un momento emocionante para el proyecto», dijo el Dr. Hachmann, investigador asociado involucrado en el proyecto de Harvard. «Estamos en el punto en el que podemos cosechar los frutos de nuestro arduo trabajo y esperamos obtener buenos resultados».

Los investigadores de Harvard ahora lo liberaron. 2,3 millones de compuestos en línea para que cualquiera pueda buscar. Y aunque estos compuestos se han calculado para células solares, otros científicos que extraigan los datos podrán utilizar la información para investigar otras clases de materiales. De manera similar, los investigadores que trabajan en el Proyecto de Materiales del MIT tienen una portal en linea para que cualquiera pueda explorar sus datos.

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«No se puede predecir lo que la gente le hará».

La iniciativa del genoma de materiales más grande tiene como objetivo reducir los costos y el tiempo para el desarrollo de materiales, y Ceder espera que logre este objetivo audaz. De hecho, ya ha visto que funciona: Ceder está en proceso de patentar nuevos materiales para su uso en baterías, una gran ganancia para la creciente iniciativa y para el campo del descubrimiento de materiales. Y debido a que se comparten muchos datos en bases de datos en línea, esos éxitos pueden continuar. Ceder espera ver que Materials Genome Initiative conduzca a importantes innovaciones en la ciencia de los materiales de la misma manera impredecible en que la web ha transformado muchas facetas de la vida moderna. «Cuando haces que cosas como esta estén disponibles», dice, «no puedes predecir lo que la gente hará con ellas».

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