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“Genoma” dos elementos químicos agiliza criação de materiais e produtos inovadores

Publicado em 03 março 2020

Por Júlio Bernardes | Jornal da USP

Criar novos materiais e produtos é uma tarefa que exige muito tempo, porque é necessário fazer vários testes em laboratório, experimentando vários componentes até chegar ao resultado desejado. Para tornar mais rápido esse processo, um grupo de pesquisadores paulistas utiliza supercomputadores abastecidos com milhões de dados sobre os elementos químicos (o chamado “genoma dos materiais”) para simular propriedades de materiais como dureza e condutividade elétrica e identificar os mais promissores para uso em diversas aplicações, por exemplo, na computação e na geração de energia. Desse modo, será possível reduzir a necessidade de experimentos em laboratório e, no futuro, diminuir bastante o tempo de criação de novos produtos, tais como células solares, materiais de construção, biossensores, medicamentos, próteses e dispositivos eletrônicos.

As simulações feitas nas pesquisas do projeto são desenvolvidas nos computadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), instituição federal de pesquisa sediada em Campinas (interior de São Paulo). Entre outras linhas de estudo, estão em desenvolvimento a identificação de materiais que obtenham hidrogênio a partir da água (water splitting) para células solares, e que tenham potencial para viabilizar a criação de computadores com maior capacidade de processamento (spintrônica), mudando os transístores utilizados nos dispositivos eletrônicos. “O design de materiais é uma tendência mundial muito recente”, explica Adalberto Fazzio, diretor do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) do CNPEM e professor aposentado do Instituto de Física (IF) da USP. “As fórmulas matemáticas necessárias para trabalhar já estão bem estabelecidas dentro da teoria das probabilidades e da estatística, assim como as técnicas de mineração de dados e big data (grandes conjuntos de dados processados e armazenados em computadores), temos inúmeras previsões de materiais, mas as realizações ainda são poucas”.

Fazzio coordena o projeto de pesquisa Interfaces em Materiais: Propriedades Eletrônicas, Magnéticas, Estruturais e de Transporte, com nove linhas de estudo. “Em muitos dos fenômenos interessantes que acontecem em materiais o protagonista é a superfície”, aponta. “Por isso as interfaces são importantes para entender as suas propriedades, como, por exemplo, quando se estuda as interações entre água e gelo, entre materiais biológicos (nanotoxicologia) e de materiais bidimensionais (2D) com o corpo humano.”

O professor Gustavo Dalpian, da Universidade Federal do ABC (UFABC), que participa do grupo de pesquisadores, afirma que o objetivo do projeto é estudar as propriedades das interfaces entre diferentes materiais, o que é importante para desenvolver uma série de processos e aplicações. “Para montar um dispositivo que gera hidrogênio a partir da água, é preciso entender a interação entre a água e materiais semicondutores (que tem condutividade elétrica intermediária entre os isolantes e os condutores), porque eles reagem em contato com a luz do sol, o que permite a obtenção de hidrogênio”, conta, “Para melhorar a durabilidade do gesso usado na construção civil, estuda-se o comportamento da água na superfície do gesso, e assim por diante.”

Design inverso

O físico Gabriel Ravanhani Schleder, da UFABC, que integra um dos grupos de pesquisa do projeto, aponta que para criar novas aplicações, é necessário em primeiro lugar fazer um processo de seleção de materiais. “De um arsenal de materiais disponíveis, qual é o melhor? Como selecionar os mais apropriados?”, aponta. “Para isso é necessário simular materiais, normalmente por meio de experimentos em laboratório, catalogar suas propriedades e selecioná-los para diferentes aplicações, tais como biossensores que detectem metais pesados na água. Com base na análise dos materiais, é proposto aos responsáveis pela parte experimental quais são os mais interessantes para criar novos produtos.”

A busca por novos materiais teve um grande impulso com a Iniciativa de Genoma dos Materiais (Materials Genome Initiative), projeto criado pelo governo dos Estados Unidos em 2011, combinando teoria, experimentos e computadores de alto desempenho para fornecer um grande conjunto de dados sobre os elementos químicos. “É uma forma diferente de trabalhar com materiais. Antes, para encontrar os componentes mais adequados a lentes de alto índice de refração, usadas em óculos e câmeras, por exemplo, era preciso testá-los em laboratório a fim de identificar suas propriedades”, relata Dalpian. “Agora se trabalha no sentido contrário: por meio do computador são feitas simulações com milhares de elementos químicos e entre eles é procurado aquele material específico que tenha as propriedades desejadas, conceito que é chamado de design inverso”.

Schleder destaca que os computadores conseguem simular uma grande quantidade de sistemas a partir dos dados brutos, por meio de ferramentas como o aprendizado de máquina (fórmulas matemáticas usadas para que os computadores encontrem as informações mais necessárias ao usuário). “A partir de um grande conjunto de dados sobre todos os elementos químicos pode-se realizar simulações de materiais e verificar as relações entre a estrutura e as propriedades, prevendo modificações que vão melhorar suas características”, afirma. “Com essas simulações, há uma aproximação entre a física teórica e a experimental na medida em que se prevê que um material será estável e poderá ser criado, pois não adianta ter excelentes propriedades se não existir.”

O professor Dalpian relata que a síntese de um novo material em laboratório pode levar semanas, pois muitas vezes é feita na base da tentativa e erro. “Com a computação, é possível substituir um dos componentes e saber em alguns minutos se ele é executável”, enfatiza. O físico Schleder acrescenta que o ponto central da genômica de materiais é reduzir o tempo entre a pesquisa básica e a chegada ao mercado de um novo produto ou material. “Com estratégias focadas na análise de dados, seria possível reduzir esse tempo de 10 a 100 vezes em relação a processos tradicionais”, estima.

O projeto de pesquisa do CNPEM, instituição dirigida pelo professor do IF, Antônio José Roque da Silva, conta com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). Os estudos contam com a participação de professores e pesquisadores da USP, UFABC, Universidade Estadual Paulista (Unesp), Universidade Federal Fluminense (UFF) e Universidade Federal de Goiás (UFG).

Mais informações: e-mails adalberto.fazzio@gmail.com, com o professor Adalberto Fazzio, dalpian@gmail.com, com o professor Gustavo Dalpian, e gabrielravanhani@gmail.com, com Gabriel Ravanhani Schleder

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