Pesquisadores da Aalto University e da Cambridge University fizeram um avanço significativo na ciência computacional ao combinar modelagem em nível atômico e aprendizado de máquina. Pela primeira vez, o método foi usado para modelar de forma realista como um material amorfo é formado no nível atômico:isto é, um material que não possui uma estrutura cristalina regular. Espera-se que a abordagem tenha impacto na pesquisa de muitos outros materiais.

"O segredo do nosso sucesso é o aprendizado de máquina, por meio do qual podemos modelar o comportamento de milhares de átomos durante longos períodos de tempo. Desta maneira, obtivemos um modelo mais preciso, "explica o Investigador do Pós-Doutoramento Miguel Caro.

As simulações da equipe revelam que o filme de carbono semelhante ao diamante é formado em nível atômico de uma maneira diferente da que se pensava. O entendimento predominante nos últimos 30 anos do mecanismo de formação de filme de carbono amorfo foi baseado em suposições e resultados experimentais indiretos. Nem um bom modelo de nível atômico, nem mesmo um adequado, está disponível até agora. O novo método agora derrubou os modelos qualitativos anteriores e forneceu uma imagem precisa em nível atômico do mecanismo de formação.

"Mais cedo, pensava-se que filmes de carbono amorfo se formavam quando os átomos são agrupados em uma pequena área. Demonstramos que as ondas de choque mecânicas podem causar a formação de átomos semelhantes a diamante mais longe do ponto em que os átomos impactantes atingem o alvo, relata Caro, que realizaram as simulações em supercomputadores CSC (IT Center for Science), modelando a deposição de dezenas de milhares de átomos.

Os resultados abrem novos caminhos significativos para a pesquisa

Existem inúmeros usos diferentes para o carbono amorfo. É usado como revestimento em muitas aplicações mecânicas, como motores de automóveis, por exemplo. Além disso, o material também pode ser usado para fins médicos e em várias atividades relacionadas com a energia, aplicações biológicas e ambientais.

"Para nós, a aplicação mais importante são os biossensores. Usamos revestimentos de carbono amorfo muito finos para identificar diferentes biomoléculas. Nesses aplicativos, é especialmente importante conhecer a parte elétrica dos filmes, propriedades químicas e eletroquímicas e ser capaz de personalizar o material para uma aplicação específica, "explica a professora Tomi Laurila.

Dr. Volker Deringer, um bolsista em início de carreira da Leverhulme, está particularmente entusiasmado com o uso desses métodos para materiais amorfos.

"A parceria tem sido um grande sucesso, "concluem Deringer e Caro, que continuam a colaboração entre suas instituições por meio de visitas constantes. A equipe espera que sua abordagem ajude muitos outros na pesquisa de materiais experimentais, porque pode fornecer informações sobre materiais com um nível de precisão próximo ao dos métodos da mecânica quântica, mas simultaneamente pode fazer uso de milhares de átomos e longos tempos de simulação. Ambos são extremamente importantes para uma imagem realista dos processos em experimentos.

"Estou especialmente animado com os tipos de oportunidades que este método oferece para pesquisas futuras. Este modelo de nível atômico produz resultados verificáveis ​​corretos que correspondem excepcionalmente bem aos resultados experimentais, revelando também pela primeira vez os fenômenos de nível atômico por trás dos resultados. Usando o modelo, nós podemos, por exemplo, prever que tipo de superfície de carbono seria melhor para medir os neurotransmissores dopamina e serotonina, "diz Laurila.