Intercambio de energía a escala atómica entre gases y superficies metálicas

Un grupo de científicos del Centro mixto CSIC-UPV/EHU de Física de Materiales (CFM), del Donostia International Physics Center (DIPC) y de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), en colaboración con el Centro Atómico Bariloche de Argentina, ha desarrollado un modelo teórico que permite, por primera vez, introducir efectos de intercambios de energía a escala atómica en simulaciones precisas de dinámica en la interacción de átomos o moléculas de gas con superficies metálicas. El conocimiento de este tipo de interacciones tiene implicaciones en muy diferentes campos de aplicación, como pueden ser la elaboración de químicos industriales o el control de la erosión de la superficie de un reactor nuclear. El trabajo, que ha sido recientemente publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters, supone un avance importante en la modelización de estos procesos reactivos.

Cuando se hace incidir átomos o moléculas de gas de baja energía contra la superficie de un metal, los átomos y las moléculas de éste gas reaccionan con la superficie. Conocer lo que ocurre en esas reacciones es importante ya que, por ejemplo, la elaboración industrial de la mayoría de los productos químicos más importantes implica el uso de superficies metálicas como catalizadores. Este tipo de reacciones químicas también deben ser caracterizadas y controladas, por ejemplo, para limitar la erosión de la pared de los reactores nucleares de fusión o el calentamiento de las superficies de los vehículos espaciales en su reentrada en la atmosfera de la Tierra. Por todos estos motivos, el ser capaz de simular la dinámica de la interacción y de los procesos reactivos gas/superficie con la mayor precisión posible es de suma importancia.

Hasta ahora la modelización de estos procesos se ha basado en simulaciones muy precisas de la dinámica molecular, pero que no tenían en cuenta los llamados efectos inelásticos, es decir, no tenían en cuenta ni las excitaciones electrónicas ni las vibraciones de los átomos que forman la red cristalina del metal. Sin embargo, experimentos recientes han puesto de manifiesto la necesidad de incorporar a este tipo de simulaciones la descripción de estos canales de intercambio de energía.. Es precisamente esto lo que han conseguido los investigadores del CFM, el DIPC y la UPV/EHU. Su modelo incluye estos canales inelásticos de pérdida e intercambio de energía entre el gas y la superficie metálica, pero mantiene además la precisión de los cálculos que hasta no incluían tales efectos.

El modelo se ha aplicado al estudio de dos sistemas representativos como son la interacción de moléculas de nitrógeno con superficies de tungsteno y la interacción de átomos de nitrógeno con superficies de plata, demostrando su validez al comparar los resultados obtenidos con medidas experimentales existentes. Ha sido capaz de reproducir efectos no triviales observados en los átomos o moléculas de gas después de ser reflejadas por la superficie del metal. Este trabajo abre nuevas fronteras en el estudio y la modelización de estas reacciones elementales en la interacción gas/superficie, permitiendo cuantificar la relevancia de los diferentes procesos de intercambio de energía.