Investigadores de la Universidad de Harvard (EE.UU.) han usado potencia computacional prestada y de la teoría de la mecánica cuántica para cribar 2,3 millones de moléculas orgánicas -en busca de propiedades relevantes para aplicaciones fotovoltaicas- que han organizado en una base de datos ordenada en la que se pueden hacer búsquedas . La nueva base de datos, que se puso a disposición del público este lunes, servirá para dirigir la búsqueda de nuevos materiales fotovoltaicos orgánicos.
La presentación de la base de datos, anunciada por la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca, marcó el segundo aniversario de la denominada Iniciativa del Genoma de los Materiales, un esfuerzo federal por "duplicar el ritmo de innovación, fabricación y despliegue de materiales de alta tecnología", un proceso que normalmente puede llevar años o incluso décadas. Las agencias que participan en el programa, cuyo objetivo es albergar colaboraciones y compartir datos entre investigadores académicos y del sector privado en ciencia de los materiales, ha repartido un total de 63 millones de dólares (unos 48 millones de euros) a distintos proyectos a lo largo del último año.
Un punto clave de este impulso es el uso de ingentes cantidades de potencia computacional y aprendizaje de máquinas para probar virtualmente los nuevos materiales y poder predecir así sus propiedades. La idea es que este conocimiento hará que a los ingenieros les resulte más fácil y rápido encontrar materiales que se comporten de una determinada manera. "Se trata de establecer qué se puede hacer en principio, todas las propiedades básicas", explica Gerbrand Ceder, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés, EE.UU.). "Así la gente puede hacer ingeniería más específica".
Ceder, uno de los primeros promotores de la idea, fue el primero en usar el término "genoma de los materiales", como nombre de su proyecto para cribar materiales inorgánicos en busca de propiedades que sirvieran para elaborar una mejor tecnología energética, especialmente las baterías. Ese proyecto, ahora dirigido conjuntamente por el MIT y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.) se rebautizó como Proyecto de los Materiales cuando la Casa Blanca quiso lanzar la Iniciativa del Genoma de los Materiales a escala nacional.
La gran base de datos abierta este lunes representa el trabajo del Proyecto de Energía Limpia de Harvard, dirigido por Alán Aspuru-Guzik, profesor de química de la Universidad de Harvard y uno de los Innovadores menores de 35 de 2010 de MIT Technology Review. Un objetivo del proyecto es usar la computación de alto rendimiento para localizar materiales que se puedan usar para elaborar una electrónica orgánica más eficaz. En 2011, el grupo usó ordenadores para identificar un material que, una vez sintetizado y probado por colaboradores de la Universidad de Stanford (EE.UU.), se demostró que tenía destacadas propiedades electrónicas (ver "Acelerando el diseño de materiales").
Identificar candidatos prometedores para fabricar células solares orgánicas ha sido el objetivo central de la última fase del proyecto. La nueva base de datos pública está organizada según las propiedades atractivas para crear células solares, por ejemplo la eficiencia con la que un material es capaz de convertir la luz del sol en electricidad. En general, los materiales orgánicos no suelen hacer esto con demasiada eficiencia, pero las células basadas en ellos podrían ser más ligereas, flexibles y potencialmente más baratas que las fabricadas con materiales inorgánicos.
En la actualidad solo se sabe de unos pocos materiales orgánicos capaces de convertir un 10 por ciento o más de la energía del sol en electricidad, y el récord mundial de eficiencia para las células solares orgánicas está apenas por encima del 11 por ciento. En comparación, la mayoría de las células solares basadas en el silicio tienen eficiencias del 15 al 20 por ciento. La nueva base de datos contiene 35.000 moléculas que tienen el potencial de tener una eficiencia mayor que ese 10 por ciento, según los modelos informáticos. Se prevé que unas mil entre ellas tendrán una eficiencia mayor del 11 por ciento.
El proyecto comenzó con 26 "fragmentos" moleculares, escogidos porque experimentos anteriores habían demostrado que podrían ser bloques de construcción para moléculas con las propiedades buscadas. A continuación se probaron millones de combinaciones de esos fragmentos, usando un modelo de química cuántica. Normalmente se tarda 12 horas en cribar una única molécula, explica Aspuru-Guzik. Los cálculos intensivos se llevaron a cabo con la ayuda de la Red Comunidad Mundial de IBM, que permite a voluntarios donar la potencia de computación excedente de sus propias máquinas a proyectos seleccionados. Esta "supercomputadora humana", como la llama Aspuru-Guzik, contribuyó con más de 17.000 años de horas de computación al proyecto, que por el momento ha generado unos 400 terabytes de datos.
Ceder afirma que poner esta información a disposición del público es muy importante. Es importante tener "muchos ojos sobre los datos" para llevar a cabo un control de calidad, y porque la gente creativa descubrirá cómo usar y mejorar los datos de formas sorprendentes y útiles. "No se puede anticipar lo que podrán hacer con tus datos", afirma.
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