Capa a capa: cómo las simulaciones ayudan a fabricar pantallas modernas
Los materiales modernos deben ser reciclables y sostenibles. La electrónica de consumo no es una excepción, y los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) se han apoderado de los televisores modernos y las pantallas de los dispositivos portátiles. Sin embargo, el desarrollo de materiales adecuados -desde la síntesis de moléculas hasta la producción de componentes para pantallas- lleva mucho tiempo. Científicos dirigidos por Denis Andrienko, del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, y Falk May, de Display Solutions de Merck, han desarrollado un método de simulación que podría acelerar considerablemente el desarrollo de nuevos materiales.
Los innovadores diodos orgánicos emisores de luz se caracterizan por su alto contraste y bajo consumo. Los OLED utilizan finas películas de moléculas orgánicas, es decir, moléculas que contienen carbono, para alcanzar estos objetivos. Los materiales a base de silicio utilizados actualmente en otros dispositivos semiconductores, como los transistores, también pueden ser sustituidos por homólogos orgánicos. El reto consiste en adaptar las propiedades de los nuevos materiales. El método de ensayo y error, consistente en sintetizar y depositar capas finas en distintas combinaciones, es prácticamente inviable: un OLED típico consta de varias capas finas individuales, cada una de las cuales podría estar hecha de materiales diferentes.
En esta situación, las simulaciones por ordenador han demostrado ser muy útiles. Por ejemplo, los cálculos de química cuántica pueden predecir las propiedades electrónicas de moléculas individuales antes de sintetizarlas. Sin embargo, predecir las propiedades de los ensamblajes de moléculas, es decir, su disposición en películas finas, sigue siendo un reto. La complicación reside en que estas disposiciones dependen de las condiciones de procesamiento, por ejemplo, la velocidad de deposición, es decir, cuántas moléculas por segundo caen sobre la superficie de la película. El procesamiento influye mucho en la disposición relativa de las moléculas en la película, en la suavidad de la superficie, en su índice de refracción, etcétera.
Los equipos dirigidos por Denis Andrienko, jefe de grupo del MPI de Investigación de Polímeros, y Falk May, de Merck, han desarrollado ahora un novedoso método para predecir las morfologías de las capas orgánicas.
El objetivo era superar la carga computacional de la simulación del proceso de deposición, que en principio tendría que tener en cuenta cada átomo de una molécula. Esto impone un paso temporal máximo del orden de los femtosegundos, es decir, millonésimas de milmillonésima de segundo, que es necesario para describir el movimiento molecular. Sin embargo, la deposición de la película puede llevar de minutos a horas. "Incluso con las capacidades informáticas actuales, una simulación de este tipo no es factible", afirma Denis Andrienko. "Por eso hemos optado por un enfoque diferente: Nos saltamos los detalles innecesarios". En los modelos, las moléculas no se describen a nivel atómico, sino que se "granulan".
Este método, denominado coarse-graining, acelera las simulaciones al reducir la fricción entre moléculas de grano grueso, lo que permite tiempos más largos entre pasos de simulación. Ahora, una simulación puede completarse en un tiempo razonable y ayuda a hacer predicciones sobre el empaquetamiento molecular en la película. En los experimentos, se tardaría mucho más en fabricar y probar las moléculas individuales.
El equipo, que acaba de publicar los resultados en la revista Advanced Energy Materials, espera que la técnica de simulación acelere el desarrollo de nuevos materiales optoelectrónicos orgánicos.
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