La teoría del funcional de densidad (DFT) se ha consolidado como una herramienta fundamental en los campos de la física, la química y la ingeniería para explorar el comportamiento de los electrones. Sin embargo, esta metodología presenta una limitación conocida como el error de auto-interacción, que afecta la precisión de los modelos en sistemas con múltiples electrones. Un estudio reciente ha identificado un nuevo ámbito en el que las correcciones a este error resultan ineficaces.
El equipo de investigación está compuesto por el profesor J. Karl Johnson y su estudiante de posgrado Priyanka Bholanath Shukla de la Universidad de Pittsburgh, junto con John Perdew, profesor y físico teórico, y su estudiante Rohan Maniar de la Universidad Tulane, así como el profesor Koblar Alan Jackson de la Universidad Central de Michigan. Este estudio, que fortalece la DFT y tiene implicaciones prácticas en áreas como la conversión catalítica, ha sido publicado en las Memorias de la Academia Nacional de Ciencias.
Desde su creación en los años setenta, la DFT ha sido una herramienta esencial para los científicos, aunque incompleta. Priyanka Shukla, estudiante de doctorado en ingeniería química y de petróleo en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt, destaca que «la teoría ha sido mejorada a lo largo de los años, pero presenta fallos que muchos investigadores pasan por alto». Uno de estos fallos es el error de auto-interacción, que ocurre cuando un electrón interactúa consigo mismo.
El profesor John Perdew compara este error con el juego de los billares. Los electrones en un material deberían comportarse de manera similar a las bolas de billar: el movimiento de una bola debería cambiar únicamente debido a interacciones o colisiones con otras bolas. El error de auto-interacción se asemeja a una bola de billar que colisiona consigo misma. Este problema surge porque la DFT considera que el electrón está interactuando con otro electrón, que en realidad es él mismo, lo que puede llevar a modelados inexactos.
Un enfoque novedoso para detectar desequilibrios en metales de transición
La investigación reciente en DFT y en la corrección de auto-interacción (SIC) se ha centrado en los metales de transición, que son cruciales para los catalizadores, la electrónica y el desarrollo de nuevos materiales. En particular, los investigadores han analizado cómo la DFT maneja diferentes tipos de electrones, aquellos en los orbitales «s» más externos y los más fuertemente ligados en los orbitales «d» en metales como cromo, cobre y cobalto.
Un problema bien conocido en la DFT es el desequilibrio de energía sd, que se refiere al error relativo que la DFT comete en la energía de los electrones d en comparación con los electrones s. La DFT necesita proporcionar una descripción equilibrada de los electrones s y d para describir con precisión la energía de los metales de transición. Métodos anteriores para medir este desequilibrio se basaban en cálculos de estados excitados, lo cual está fuera del dominio formal de la DFT y, por tanto, resulta problemático.
Este nuevo estudio introduce un enfoque innovador para evaluar este desequilibrio utilizando energías de ionización, que es la energía necesaria para eliminar electrones de un átomo. A través de su investigación computacional, realizada en parte en el Centro de Computación y Datos de Investigación de la Universidad de Pittsburgh, el equipo descubrió que el método de corrección de auto-interacción de Perdew-Zunger tiene dificultades para encontrar el equilibrio energético correcto entre electrones s y d. Hallaron que una escala local de la corrección ofrece un mejor equilibrio al reducir la corrección en regiones donde se puede predecir que se necesita poca o ninguna corrección.
Este estudio identifica fallos en los métodos SIC existentes y allana el camino para refinar la DFT. «Los metales de transición son esenciales en nuestra vida cotidiana, y a medida que aumentamos la precisión del modelado a través de la teoría del funcional de densidad, podemos mejorar la catálisis. Podemos diseñar mejores catalizadores», afirma Johnson. «Tanto en nuestra alimentación como en la tecnología que utilizamos, la catálisis tiene un impacto real».
