Resumen de Computational modeling of metallic nanoclusters and nano-alloys for catalytic and corrosion applications
El campo de la Ciencia de Materiales se ha convertido en una de las áreas más prolíficas de investigación. Dado su especial énfasis en las aplicaciones prácticas, se ha convertido en un aliado decisivo a la hora de afrontar los retos que tiene la humanidad. Hoy en día, uno de estos retos incluye el descubrimiento de nuevos materiales, así como la eficiencia de los mismos. De esta manera, la protección frente a la degradación de estos materiales toma una importancia central. En sistemas basados en metal, una interacción omnipresente en la atmósfera terrestre es la de la corrosión, consistente en el deterioro del metal a consecuencia de la oxidación y de otros ataques electroquímicos. Se trata de un problema industrial de gran importancia y de alto costo económico. De este modo, varias técnicas como el galvanizado y las aleaciones inoxidables se emplean de forma sistemática. En el caso del galvanizado o cincado, el metal a proteger se recubre con una capa de zinc. Además de mejorar su aspecto visual, el zinc, al reaccionar con el oxígeno y otros agentes corrosivos como Cl- y agua, forma una capa de óxido y otros productos derivados de la corrosión que protege el interior del metal de la oxidación y corrosión. Sin embargo, se ha encontrado que la incorporación de magnesio para formar una aleación con el zinc resulta en una creación más eficiente de la capa protectora: la formación de la capa de óxido es más rápida, y es más efectiva en el aislamiento del exterior. En particular, las composiciones Zn11Mg2 y Zn2Mg se encuentran como las más indicadas para maximizar la eficiencia de la capa protectora según la evidencia experimental. Las razones de esta cualidad no son, sin embargo, bien conocidas. El proceso de la corrosión implica procesos físicos, químicos y termodinámicos en diferentes etapas, que resultan en la capa aislante final. Este proceso intermedio de corrosión es, en consecuencia, muy complejo de estudiar y de modelizar a escala nanométrica y donde, en todo caso, reside la respuesta al interrogante. El objeto de esta tesis consiste en estudiar detalladamente los mecanismos físico-químicos que determinan el proceso de corrosión sobre la aleación Zn-Mg, mediante un detallado análisis mecánico-cuántico empleando métodos ab-initio o de primeros principios basados fundamentalmente en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT).
Para estudiar el complejo problema de la corrosión, en esta tesis se emplean modelos basados en agregados atómicos o clústers. El problema de la búsqueda estructural es central en esta tesis, tanto en la localización de agregados de mínima energía como en la obtención de productos derivados de la corrosión. De este modo, en primer lugar se desarrollan técnicas para la obtención de estructuras de mínima energía, basadas en modelos numéricos que aproximadamente representen las interacciones atómicas en el sistema. Una de éstas se basa en una técnica de Machine Learning: los potenciales basados en redes neuronales. Se encuentra que su rendimiento es mucho mayor comparado con los potenciales empíricos estándar. Posteriormente, se inicia el estudio inicial de la corrosión sobre clústers de 20 átomos, de diferentes estequiometrías. Se encuentra una positiva sinergia entre el zinc y el magnesio, la cual produce un crecimiento homogéneo de la superficie oxidada al mismo tiempo que protege el interior del agregado. Del mismo modo, se encuentra que las composiciones cercanas a Mg2Zn11 y MgZn2 son las más adecuadas para optimizar la protección frente a la corrosión, en acuerdo con la evidencia experimental. Una última etapa, basada en la formación completa de la capa protectora queda pendiente de explorar.
