Esplorare l'ignoto nel mondo dei materiali: l'importanza dei calcoli quantistici

La storia dell'umanità è sempre stata legata all'evoluzione dei materiali: dalla produzione dell'acciaio attraverso il riscaldamento del ferro con carbonio, che ha segnato il passaggio dall'età del bronzo a quella del ferro, alla crescita degli ingotti di cristallo di silicio ad alta purezza, che ha dato il via all'era dell'informatica. Oggi, i materiali multicomponenti sintetici vengono costantemente sviluppati per soddisfare le esigenze delle più svariate applicazioni. Nonostante l'ampia gamma di materiali disponibili, ci sono ancora molte lacune nel campo delle fasi ternarie o di ordine superiore. Solo il 16% dei composti ternari e l'1% dei composti quaternari sono stati almeno parzialmente scoperti. Questo ci fa ben sperare che ci siano ancora molti materiali preziosi da scoprire nel vasto dominio ancora inesplorato. Tuttavia, le attuali collezioni di materiali presentano un'evidente tendenza chimica e sintetica. L'esplorazione dello spazio chimico inesplorato attraverso esperimenti potrebbe risultare inefficiente, soprattutto a causa delle crescenti barriere alla sintesi. Un approccio alternativo consiste nel sfruttare i calcoli quantistici basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) per effettuare una preselezione computazionale prima di procedere con gli esperimenti. Questo approccio ha già mostrato risultati promettenti nella scoperta di nuovi materiali per batterie al litio, semiconduttori a base di nitruri e superconduttori ad alta temperatura. Tuttavia, l'attuale esplorazione computazionale di materiali sconosciuti soffre di un basso rendimento, in quanto la predizione della struttura cristallina per le fasi di equilibrio con la più bassa energia libera di Gibbs sotto specifiche condizioni termodinamiche rappresenta un problema NP-hard. I calcoli quantistici possono aiutare a superare questo ostacolo e guidare la ricerca verso nuovi materiali con proprietà promettenti. In conclusione, l'adozione dei calcoli quantistici nella ricerca e sviluppo di nuovi materiali multicomponenti può aiutare a superare i limiti dell'approccio sperimentale, accelerando la scoperta di materiali innovativi e potenzialmente rivoluzionari per le più diverse applicazioni.