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  • Mecanismo de várias etapas de formação de nanoestrutura em cristal líquido
    p Fig. 1:Comportamento de todo o sistema e paisagem de energia livre. a Evolução temporal do número de moléculas esméticas no sistema. O número de moléculas esméticas pertencentes ao maior agrupamento esmético também é plotado. b Evolução temporal da intensidade de espalhamento numérico de raios-X. A intensidade em função do número de moléculas esméticas no sistema também é representada graficamente. c Mapa de contorno da paisagem de energia livre em função do tamanho do cluster esmético e do valor do parâmetro de pedido. As linhas pretas indicam contornos com intervalo de 0,5 kBT. d Valor estimado da taxa de nucleação em função do tamanho limite. J1 e J2 são valores de platô. e Mínimos de energia livre em função do tamanho do cluster. Crédito:DOI:10.1038 / s41467-021-25586-4

    p A maioria de nossas mercadorias diárias, como plásticos, ligas e alimentos processados, são fornecidos como sólidos, e muitas vezes são processados ​​por um processo de resfriamento controlado de uma mistura líquida a um sólido. Cristais líquidos, soluções, polímeros, e os biomateriais formam uma ampla variedade de padrões estruturais decorrentes de diferenças nos processos de resfriamento. Esses padrões fornecem uma diversidade de funções, e pode influenciar significativamente as propriedades de produtos sólidos. Por esta razão, compreender como o processo de resfriamento ocorre e como pode ser controlado é importante em diversos campos de pesquisa, como a física, biologia, Ciência de materiais, e engenharia. p Em muitos casos, a formação de um sólido em um processo de resfriamento é iniciada com a formação de nanoestruturas, para o qual a teoria clássica da nucleação (CNT) deu uma explicação simples. Contudo, O CNT não pode ser responsável quantitativamente por algumas propriedades físicas importantes, como a taxa de formação da nanoestrutura. As simulações moleculares são meios promissores como uma tecnologia que permite a observação do movimento microscópico de moléculas individuais, para contar o número de nanoestruturas, e quantificar como eles aumentam. Contudo, existem muitos tipos de nanoestruturas que são difíceis de observar usando apenas simulações moleculares, e combinações de simulações moleculares com outras tecnologias avançadas estão sendo consideradas para superar essa dificuldade. Por exemplo, a existência de nanoestruturas características em cristais líquidos durante o processo de resfriamento foi prevista com base em experimentos de espalhamento de raios X. No entanto, os detalhes de tais nanoestruturas não puderam ser revelados apenas por simulações moleculares e permaneceram uma questão em aberto. Portanto, tem sido altamente desejado desenvolver tecnologias computacionais que forneçam novos métodos de análise para a identificação de nanoestruturas com alta precisão, facilitando o design de materiais inovadores.

    p Um dos objetivos do "Projeto de Tecnologia de Prototipagem e Design de Ultra Alto Rendimento para o Projeto de Desenvolvimento de Materiais Ultra-avançados" da Organização de Desenvolvimento de Tecnologia Industrial e Nova Energia (NEDO) é acelerar o desenvolvimento de materiais orgânicos e poliméricos funcionais por meio da trindade do computador Ciência, Processo tecnológico, e tecnologia de medição. Como parte deste projeto, Dr. Kazuaki Z. Takahashi, Pesquisador Sênior do Centro de Pesquisa para Design Computacional de Materiais Funcionais Avançados (CD-FMat), Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST), Dr. Takeshi Aoyagi, Gerente Principal de Pesquisa da CD-FMat, AIST, e Dr. Jun-ichi Fukuda, Professor do Departamento de Física, Faculdade de Ciência, Universidade Kyushu, vêm desenvolvendo as tecnologias visando o controle de estruturas materiais, prestando especial atenção à nanoestruturação como ponto de partida. Seu estudo se concentra no processo de resfriamento de cristais líquidos, materiais orgânicos e poliméricos funcionais típicos.

    p Eles desenvolveram um novo método de análise que combina simulação molecular e inteligência artificial (IA) para observar o processo de formação de nanoestruturas características em cristais líquidos extintos. Eles descobriram um processo de três etapas de nanoestruturação que não pode ser explicado pela teoria clássica da nucleação, e também esclareceu seu mecanismo.

    p Os resultados da pesquisa foram publicados em uma revista científica interdisciplinar britânica Nature Communications em 6 de setembro, 2021.


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