De átomos a materiais: Algoritmo quântico inventa novos materiais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/07/2023

A estrutura atômica de um material corresponde à cratera em uma superfície de energia potencial cheia de montanhas, colinas e vales irregulares. Traçar computacionalmente essa paisagem é muito difícil, mas algoritmos avançados e computadores quânticos podem ser usados para traçar esse relevo.
[Imagem: University of Liverpool]

Como criar novos materiais

Já contamos com os metamateriais, cujas propriedades dependem de sua estrutura, e não de sua composição química, mas a larga maioria de tudo o que usamos ainda consiste em materiais cujas propriedades dependem dos elementos químicos que os formam.

Há muitos materiais úteis na natureza, mas agora precisamos de coisas novas se quisermos caminhar rumo a um futuro sustentável e com menos impacto ambiental, para fazer baterias melhores ou painéis solares mais eficientes, por exemplo.

A teoria é simples: Basta projetarmos materiais que cumpram as funções que precisamos e com a eficiência que desejamos. Mas montar átomos não é tão simples quanto montar peças de Lego.

E a busca por novos materiais é lenta e difícil porque existem muitas maneiras pelas quais os átomos podem ser combinados para formar materiais e, em particular, eles podem se estruturar de formas muito diversas. Além disso, materiais com propriedades transformadoras tipicamente têm estruturas diferentes das conhecidas hoje, e prever uma estrutura da qual nada se sabe é um tremendo desafio científico.

É aí que entra o trabalho de Vladimir Gusev e colegas da Universidade de Liverpool, na Inglaterra, que desenvolveram um algoritmo matemático que calcula a estrutura de qualquer material com base apenas no conhecimento dos átomos que o compõem.

Os qubits encontram todas as posições atômicas desconhecidas dentro de uma célula unitária.
[Imagem: Vladimir V. Gusev et al. - 10.1038/s41586-023-06071-y]

Algoritmo quântico

Desenvolvido por uma equipe interdisciplinar, o algoritmo avalia sistematicamente conjuntos inteiros de estruturas possíveis de uma só vez, em vez de considerá-los um de cada vez, para acelerar a identificação da solução correta.

Este avanço torna possível identificar os materiais que podem ser fabricados e, em muitos casos, prever suas propriedades.

"Ter certeza na previsão das estruturas cristalinas agora oferece a oportunidade de identificar, a partir de todo o espaço da química, exatamente quais materiais podem ser sintetizados e as estruturas que eles adotarão, dando-nos pela primeira vez a capacidade de definir a plataforma para futuras tecnologias," disse o professor Matt Rosseinsky, coordenador da equipe.

"Com esta nova ferramenta, poderemos definir como utilizar os elementos químicos que estão amplamente disponíveis e começar a criar materiais para substituir aqueles baseados em elementos escassos ou tóxicos, bem como encontrar materiais que superem os que contamos hoje, enfrentando os desafios futuros de uma sociedade sustentável," completou Rosseinsky.

Teste em computador quântico

O novo método foi demonstrado em um computador quântico, que tem potencial para resolver problemas mais rapidamente do que os computadores clássicos e, portanto, pode acelerar ainda mais os cálculos.

"Estamos oferecendo um algoritmo geral para previsão de estrutura cristalina que pode ser aplicado a uma diversidade de estruturas. Acoplando a minimização local à programação inteira nos permitiu explorar posições atômicas desconhecidas no espaço contínuo usando métodos de otimização fortes em um espaço discreto," completou Paul Spirakis, membro da equipe.

A equipe pretende colocar seu algoritmo para trabalhar tirando proveito da "Fábrica de Inovação em Materiais", um laboratório especializado em novos materiais montado na universidade em parceria com a Unilever.

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