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ETSF: European Theoretical Spectroscopy Facility
La investigación que se realiza en el grupo de la Universidad del País Vasco y Unidad de Física de Materiales (Centro Mixto CSIC-UPV/EHU) “Nano bio spectroscopy group” dirigido por Ángel Rubio es pionera en diferentes campos de la física de nuevos materiales y de sistemas biológicos. En particular, el grupo ha alcanzado reconocimiento internacional en la descripción de la interacción de partículas externas con la materia (ya sean electrones, átomos o moléculas), en el estudio teórico de diferentes espectroscopias electrónicas y ópticas, en física de superficies y en la dinámica y propiedades electrónicas de nanoestructuras y biomoléculas.
En el grupo se abordan distintos problemas básicos de gran relevancia tecnológica, tanto desde un punto de vista experimental como teórico. Los muchos trabajos que se realizan en el campo de la simulación de las propiedades de materiales se pueden clasificar dependiendo de la naturaleza y dimensionalidad del sistema objeto de estudio; esto es desde sistemas macroscópicos (metales, semiconductores, aleaciones), hasta superficies y moléculas y macromoléculas (polímeros, biomoléculas, nanoestructuras, etc.). Todos estos problemas tienen dos nexos en común: su complejidad intrínseca y su interés tecnológico y aplicado. Es por ello por lo que la investigación de vanguardia asociada requiere una infraestructura adecuada, lo que explica que se haya lanzado el concepto de sincrotón Europeo teórico (European Theoretical Spectroscopy Facility -ETSF-) que acaba de recibir el apoyo del Séptimo Programa Marco de la Comisión Europea en su programa de infraestructuras (los objetivos de la ETSF y su desarrollo en Donostia se presentan en detalle más adelante).
La modelización de fenómenos físicos juega un papel fundamental como puente entre la teoría y la experiencia. En el campo de la Nanociencia nos encontramos, por primera vez, en una inmejorable situación en la que se hacen estudios experimentales y teóricos sobre exactamente los mismos sistemas, sin acudir (como era obligado hasta hace pocos años) a descripciones simplificadas de los sistemas físicos que se estudian. De esta forma se pueden analizar las leyes que rigen el mundo a escala muy pequeña y descubrir cómo usarlas para nuestro beneficio en dispositivos y nuevos materiales “inteligentes”.
Teniendo en cuenta el crecimiento gradual del grupo en los últimos años y la base que se posee tanto en la simulación de materiales como en la descripción de los propios fenómenos físicos, nos hemos planteado dar un salto cualitativo en cuanto a la complejidad e interés tecnológico de los sistemas a estudio. Por supuesto, en ningún momento se abandonará el estudio de los aspectos básicos que son los que han llevado al grupo a una situación de privilegio en cuanto a reconocimiento científico internacional y excelencia de sus investigaciones. Es por ello por lo que teniendo en cuenta el nuevo paradigma que acabamos de mencionar en el campo de la Física Computacional, y con el objetivo de mantener a nuestro grupo como centro de referencia, nos hemos planteado diferentes Retos Científicos que se encuadran dentro de las líneas prioritarias de actuación científica nacionales e internacionales en los campos de la Nanotecnología, Ciencia de Materiales y Biotecnología, además de desarrollo de códigos de simulación y su distribución libre. Estos retos son los siguientes: Descripción teórica de las espectroscopias de alta resolución (tanto temporal como espacial), óptica no lineal de nano- y bio-estructuras. El objetivo es proporcionar una descripción teórica y computacional detallada de las diferentes espectroscopias basadas en pulsos láser de femtosegundo, en particular la espectroscopia de rayos X, EXAFS, Raman, luminiscencia, etc. Estudio de procesos de conducción electrónica e iónica en electrónica molecular, entendida ésta como la miniaturización y consiguiente acercamiento al uso específico de la molécula como elemento esencial de los dispositivos futuros tanto electrónicos como mecánicos. Biofísica, incluyendo problemas relacionados con: la isomerización del retinal (visión nocturna humana) y del azobenceno; propiedades ópticas de la hemoglobina; espectros de absorción y emisión de ADN, ARN y proteínas incorporando los efectos de su entorno. Reactividad química controlada por láseres de femtosegundo: catálisis activada. Consiste en modular la forma del pulso láser que se aplica a una reacción de tal forma que se controle el resultado de la misma, esto es si hay disociación, reorientación y/o isomerización, así como la posibilidad de romper enlaces moleculares de forma selectiva. Diseño de nuevos materiales con propiedades “a medida” y autoensamblado de estructuras moleculares (en particular combinaciones de nanotubos y biomoléculas). Caracterización de sus propiedades mecánicas, electrónicas, ópticas y magnéticas. Desarrollo, mantenimiento y distribución de códigos de simulación. Fundamentos teóricos: nuevos esquemas teóricos que permitan estudiar, entre otros, procesos dinámicos no lineales y no adiabáticos, interacciones débiles tipo van der Waals, superconductividad, disipación en el transporte molecular, etc.
En estos estudios juega un papel decisivo la simulación por ordenador, ya sea desde una perspectiva de primeros principios o usando aproximaciones semiempíricas. Naturalmente, la complejidad de estos sistemas hace que nos enfrentemos con un problema relacionado con las diferentes escalas de tiempo y tamaño que aparecen en los sistemas y en los fenómenos que deseamos estudiar. Es por ello por lo que no sólo es preciso mejorar el acceso a centros de supercomputación sino que también hay que realizar un importante trabajo encaminado a la optimización y mejora de los propios códigos de simulación. En este aspecto se ha invertido un gran esfuerzo y los códigos tanto de propiedades de estado fundamental como excitaciones están muy optimizados y escritos para beneficiarse de una arquitectura paralela de alto rendimiento. La European Theoretical Spectroscopy Facility: Un marco eficaz de transferencia de conocimiento en Nano y Bio ciencia en Europa
La European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF) es un centro de conocimiento transeuropeo cuyo objetivo es el desarrollo teórico y su consiguiente implementación en códigos de primeros principios de líneas de investigación relacionadas con las propiedades electrónicas, ópticas y estructurales de materiales complejos en diferentes escalas de tamaños, especialmente nanométricas. La capacidad de predecir teóricamente espectros ópticos o electrónicos de sistemas complejos es muy importante ya que, por ejemplo, la interpretación de los experimentos tanto de fotoemisón como de resolución atómica tipo “scanning tunneling microscopy” (STM) depende fuertemente de la teoría que se use para su análisis. Consecuentemente la colaboración teoría-experimento es fundamental para la extracción de conclusiones sobre el comportamiento de materiales y la estructura electrónica de los mismos. Así, la ETSF se debe convertir en un centro de vanguardia y referencia mundial en ciencia de materiales, tanto nacional como internacional.
El hecho de que la ETSF sea competitiva a nivel internacional no sólo beneficiará a los investigadores del entorno sino que a su vez repercutirá en una mejora sustancial de los recursos de simulación del Departamento de Física de Materiales y Centro Mixto donde se engloba. De esta forma se vitalizará aun más si cabe la relación estrecha de trabajo entre los investigadores permanentes y los profesores/investigadores visitantes y usuarios de la infraestructura, lo que conlleva a una mayor internacionalización de la investigación en ámbitos de interés para la sociedad en general.
Como ya hemos mencionado, los retos actuales y futuros en el campo exigen una gran capacidad de desarrollo teórico básico y amplias necesidades de cálculo que únicamente se pueden realizar dentro de una estructura de colaboración estable. Para que este esfuerzo se traduzca en resultados tangibles, propios de una política de I+D coherente y ambiciosa, deben existir mecanismos eficaces de transferencia de conocimiento de los que se puedan beneficiar investigadores tanto del mundo académico como de la industria. La ETSF es, en consecuencia, no sólo un centro de investigación sino también de generación y transferencia de herramientas científicas con un amplio campo de aplicabilidad. Investigación básica y transferencia del conocimiento son, pues, los dos objetivos que justifican la existencia de un organismo como la ETSF, cuya infraestructura global será operativa a principios del 2008.
La ETSF es un proyecto que se ha planeado durante los últimos años por diferentes grupos europeos, líderes mundiales en el campo del estudio teórico de las propiedades electrónicas de materiales avanzados y nanosistemas y de la interpretación básica de espectroscopias ópticas y electrónicas. La idea ETSF se ha plasmado, en una primera instancia, en la financiación por parte de la Comisión Europea de la Red de Excelencia del Sexto Programa Marco NANOQUANTA (referencia NMP4-CT-2004-500198). Así, el objetivo fundamental de esta red de excelencia es el diseño y planificación de la ETSF como una infraestructura completamente autónoma. Estos esfuerzos se han visto apoyados por un proyecto de infraestructura del séptimo programa marco y otros apoyos nacionales e internacionales. Por el momento se está explorando el apoyo del Gobierno Vasco para atraer el nodo central de la ETSF al campus de Guipúzcoa de la Universidad del País Vasco en San Sebastián, donde está localizado el nodo Español de la ETSF. Estructura general de la ETSF:
El análisis de los objetivos científicos y de transferencia de conocimiento de la ETSF exige un organigrama general relativamente complejo, pero adaptado a sus necesidades, el cual está construido en tres círculos:
El primer círculo (círculo central o “core group”) está constituido por los 10 consorcios de la red de excelencia NANOQUANTA. Este círculo asume las competencias fundamentales de desarrollo científico, estructuración, dirección y coordinación de la ETSF. Se decidirá de entre todos ellos cuál será el nodo central el cual contará con una estructura formada por el director/a y personal técnico y administrativo.
El segundo círculo (círculo asociado o “associate shell”) incluirá una comunidad más amplia de grupos de investigación con un claro interés en el campo de las espectroscopias. Finalmente, el tercer círculo (usuarios) estará constituido por los usuarios en general.
Mediante este organigrama, la ETSF pondrá a disposición de la comunidad científica e industrial herramientas de cálculo centradas en el estudio de propiedades espectroscópicas y estructurales. Remarquemos que esta es la razón de ser última de la ETSF, la cual beneficiará directamente tanto a grupos de investigación teóricos y experimentales, como a centros de desarrollo e innovación industriales. A su vez, la ETSF proporcionará educación especializada para usuarios y jóvenes investigadores, pretendiendo ayudar a la incorporación del personal formado en su seno al tejido industrial y académico. Por último, la ETSF generará un claro beneficio a la sociedad, no sólo mediante la generación y la diseminación de conocimiento científico de excelencia, sino siendo también un ejemplo de estructura moderna, descentralizada y eficaz dentro de la sociedad de la información, donde todos los desarrollos tecnológicos y científicos de ultima generación se incorporan de manera inmediata para el beneficio de usuarios, participantes y entorno.
El nodo español de la ETSF está localizado en el edificio José Mari Korta dentro del campus de Guipúzcoa de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). El nodo esta basado en el grupo de espectroscopia de la UPV formado por mas de diez investigadores y de cinco nodos asociados: UNED en Madrid, Universidad de Coimbra (Portugal), Universidad de Lille (Francia); Universidad de Erlangen (Alemania) y S3 Modena (Italia). Las acciones que se están desarrollando para la potenciar el nodo ETSF español y convertirlo en el nodo central Europeo de la ETSF. Aumentar el potencial de acogida del nodo local ETSF a estudiantes e investigadores jóvenes (tanto de grupos de investigación, como de centros tecnológicos y/o empresas) así como a investigadores de alto nivel. Fomentar la implantación del círculo asociado. Crear un dispositivo de formación regular, abierto y flexible. Promocionar la cooperación entre la investigación básica y aplicada. Formación de investigadores de alto nivel y la transferencia de conocimiento al tejido industrial. Difundir las actividades entre las empresas y el gran público. Reforzar de lazos de colaboración internacional.
Los beneficios relacionados con las actividades de diseminación y formación son inmediatos y tangibles al entorno de la ETSF. Además, hemos de hacer constar que no existe ninguna estructura cuyos objetivos sean los de la ETSF. Hasta la fecha, el apoyo institucional (a nivel de comunidad autónoma, nacional o europeo) se han centrado al desarrollo de teoría y métodos de cálculo en ciencia de materiales y nanociencia mediante convocatorias de proyectos de duración predeterminada y con objetivos científicos específicos. La ETSF plantea un concepto radicalmente diferente y novedoso: el conocimiento desarrollado por investigadores teóricos únicamente pueden producir un beneficio al resto de la comunidad científica e industrial si existe un ente estable encargado de diseñar y procurar los instrumentos de diseminación necesarios.
La ETSF no es generalista: el conocimiento que proporciona está restringido a las excitaciones electrónicas y propiedades estructurales a escala microscópica y nanoscópica. Ahora bien, dicho conocimiento tiene un interés multidisciplinar que es relevante, por ejemplo, en los campos del diseño de nanomateriales (puntos cuánticos, bioestructuras, nanohilos), de las energías renovables (células solares), de la informática (almacenamiento óptico/magnético de datos) y de la medicina (control del daño a sistemas biológicos por radiación). La ETSF beneficiará a investigadores y tecnólogos con diferentes grados de implicación o experiencia en las actividades específicas que desarrolla la ETSF. Estos mecanismos flexibles de colaboración y diseminación permitirán que:
. La ETSF será un centro de conocimiento de fácil acceso para empresas privadas y que proporcionará acceso y soporte a los últimos desarrollos científicos en el campo de la simulación. Servirá también para formación de personal de la empresa.
. La combinación de simulaciones por ordenador junto con el desarrollo de teorías y experimentos, mejorará drásticamente la interpretación de los experimentos y puede sugerir nuevos experimentos. Se guiará a los grupos experimentales en los esquemas teóricos y colaboraciones que son mas apropiadas para sus problemas. Si lo pudieran se organizarían eventos formativos para enseñarles las técnicas de simulación que ellos necesitan para analizar sus experimentos.
. La investigación desarrollada por otros grupos teóricos se acelerará mediante la aglutinación de una amplia comunidad federada de grupos de investigación trabajando en problemas similares. Estos otros grupos se pueden beneficiar de la visibilidad de la ETSF para su propia publicidad y así atraer nuevos proyectos y aumentar su impacto en la comunidad científica. Por supuesto, al igual que para los grupos experimentales, los teóricos de otros campos se pueden beneficiar de los avances en el campo de las técnicas de simulación de primeros principios.
. La ETSF proporcionará educación especializada para usuarios e investigadores en formación, creará módulos master que podrán ser incorporados en los programas de las diferentes Universidades o centros de investigación. Los investigadores jóvenes educados dentro de la red adquirirán un conocimiento al más alto nivel y se beneficiarán del contacto con los investigadores senior más relevantes del campo. Un punto fundamental para la estructuración de la “European Research Area (ERA)” es que la ETSF ayudará a la incorporación del personal formado dentro de ella a que se incorpore al tejido industrial o académico.
. La ETSF generará conocimiento del más alto nivel científico y ayudará a la transferencia de este conocimiento y sus beneficios a la sociedad. También se verá como un ejemplo de estructura moderna de trabajo en la sociedad de la información donde todos los desarrollos tecnológicos de última generación se incorporarían para el beneficio de los usuarios, empleados y el entorno.
