Simulações atomísticas com o SIESTA

As simulações computacionais possuem uma grande importância na pesquisa de novos materiais e desenvolvimento de novas tecnologias. A partir de simulações computacionais de materiais, podemos controlar várias variáveis da simulação para aprofundar o entendimento de comportamentos mecânicos, eletrônicos, ópticos, e magnéticos. Essas simulações podem ser realizadas com materiais em várias escalas, e utilizando as metodologias apropriadas para cada escala. Comumente são realizadas simulações de materiais em escalas macroscópicas de objetos e peças para a indústria, e para isso são utilizadas metodologias como o método de elementos finitos para encontrar soluções e entender o comportamento desses materiais. Um entendimento mais aprofundado dos materiais pode ser alcançado indo para a escala atômica do material. Entendo a composição do material, suas ligações químicas, e fenômenos físicos que só podem ser entendido com a formulação de modelos baseados na mecânica quântica. Simulações computacionais nessa escala são chamadas de simulações atomísticas. Nessa escala, além dos fenômenos físicos, podemos também entender fenômenos químicos que podem ocorrer com os materiais em escala nanométrica, como taxa da cinética de reações químicas para a catálise da produção um produto. Algumas propriedades físicas como espectroscopia óptica e vibracional de moléculas também podem ser calculados através de simulações atomísticas, e comparados com dados experimentais.

As simulações atomísticas que serão apresentadas aqui são comumente classificadas como simulações de primeiros princípios, ou simulações ab initio. Nessas simulações, não há parametrizações que dependem do material. Podemos calcular as propriedades físicas e químicas partindo apenas do composição química e das posições dos átomos na célula unitária do material.

A partir do grande controle de variáveis que podemos ter nas simulações atomísticas, podemos aplicar esse conhecimento em duas abordagens: 1) na elucidação de dados experimentais, como mais um método de caracterização; 2) na descoberta e design de novos materiais a partir de modificações de materiais já conhecidos. Ambas abordagens das simulações são bastante aplicadas hoje em dia.

Para uma melhor compreensão das simulações atomísticas, vamos introduzir o método de simulações de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). Essas simulações serão realizadas com o software SIESTA, que é uma software de código aberta que será instalado e executado no sistema operacional LINUX. Com esse software, podemos calculador propriedades físicas de materiais como as estruturas eletrônicas de bandas, densidade de estados, coeficientes elásticos, coeficientes piezoelétricos, energia de formação de defeitos, entre outras coisas. Podemos calcular essas propriedades até mesmo para materiais ainda não descobertos em laboratório. Nesse tutorial, vamos começar do básico instalando o SIESTA em uma máquina com sistema operacional LINUX. Caso não tenha experiência com esse sistema operacional, sugiro que leia tutoriais sobre esse sistema antes de começar com as simulações atomísticas aqui presente.

Sumário