Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin estão explorando como as simulações moleculares com as estratégias de otimização mais recentes podem criar uma maneira mais sistemática de descobrir novos materiais que exibem características específicas, propriedades desejadas.

Mais especificamente, eles fizeram isso reformulando o objetivo do design para o microscópico, perguntar quais interações entre as partículas constituintes podem fazer com que elas se "auto-montem" espontaneamente em um material a granel com uma propriedade particular. Para encontrar a resposta, relatado esta semana em The Journal of Chemical Physics , eles decidiram se concentrar em como as partículas compostas se organizam espacialmente.

"Nossa inspiração técnica veio de um campo de pesquisa muito diferente - a modelagem e simulação de biomoléculas, "disse Thomas Truskett, professor do Departamento de Engenharia Química McKetta e co-autor do trabalho. "Os especialistas nesse campo desenvolveram uma série de ferramentas para usar simulações moleculares para 'aprender' quais interações de modelo simplificado poderiam reproduzir as propriedades estruturais requintadas de grandes biomoléculas."

Eles reconheceram que essa abordagem de modelagem poderia ser usada para identificar interações interpartículas mais simples que se automontariam espontaneamente em estruturas mais complexas.

"A automontagem é um fenômeno pelo qual as partículas, como átomos e moléculas, se organizam espontaneamente em arquiteturas multidimensionais complexas, "disse Truskett." Congelar água - cristalizá-la - é um exemplo diário, e a maneira pela qual as moléculas de água se organizam sob condições externas prescritas é ditada por suas interações ou forças. "

Para expandir as possibilidades de automontagem, o grupo investigou outra classe de partículas chamadas "coloides, "que normalmente se referem a moléculas maiores ou nanopartículas suspensas em um fluido.

"[Os colóides são] interessantes para a automontagem e se destacam de seus primos atômicos e moleculares menores porque suas interações são altamente sintonizáveis, "disse Ryan Jadrich, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química McKetta. "Adaptando cuidadosamente as interações das partículas coloidais, podemos exercer um controle sem precedentes sobre os detalhes organizacionais microscópicos para influenciar muito as propriedades do material a granel. "

O design avançado tem sido a abordagem de fato para a automontagem de engenharia por muitos anos.

"Em uma interpretação muito simplificada, design avançado equivale a fabricar partículas com novas interações e, em seguida, verificar no que elas se juntam - espero que seja algo desejável, "Truskett disse." A intuição física dos pesquisadores pode ajudar a acelerar o processo de obtenção dos materiais desejados, mas essa abordagem é cara do ponto de vista do tempo e requer algum grau de sorte ou grandes despesas. "

Design inverso, que o trabalho do grupo aborda, literalmente tenta resolver o problema ao contrário.

"Os pesquisadores humanos fazem o que são bons:imaginar arquiteturas de partículas novas e úteis. E os computadores fazem o que são bons em:resolver problemas complexos de otimização, "Jadrich disse.

De acordo com Truskett, um dos principais benefícios da nova abordagem de design inverso é que ela fornece uma estrutura altamente geral que pode ser aplicada no direcionamento da automontagem de materiais cristalinos ou fluidos "em tempo real".

"[O] método 'aprende' tudo o que precisa, pois os dados relevantes emergem naturalmente de uma iterativa, framework orientado por simulação, ", disse ele." Um corolário interessante é que nenhum banco de dados auxiliar pré-compilado de informações é necessário - tais repositórios de dados eram um pré-requisito indesejável para abordagens anteriores de design inverso de cristal. "

Eles montaram computacionalmente algumas arquiteturas de partículas intrigantes, incluindo um descrito como "queijo suíço".

"Nesse caso, descobrimos interações que levaram as partículas a se automontar em uma matriz em torno de orifícios esféricos, a.k.a. poros ou cavidades, "Truskett disse." Notavelmente, esses poros ordenados em um arranjo cristalino, enquanto as partículas "reais" menores permaneceram desordenadas, estado fluídico percolando em torno dos poros. "

Embora o design inverso seja uma área de pesquisa relativamente jovem e ativa, o progresso já está sendo feito em direção a uma estrutura geral e praticamente útil, de acordo com Jadrich, onde seu trabalho representa uma estratégia emergente. O design inverso é parte de uma tendência emergente nas disciplinas científicas, usando aprendizado de máquina computacional e interferência estatística para acelerar a descoberta.

"O design inverso permite a descoberta de materiais muito mais complexos, em computadores, do que nunca, e esta é uma tendência que acreditamos que continuará, "disse ele." Tais ferramentas não substituirão em breve os pesquisadores humanos, mas permite que os pesquisadores se concentrem em outros, frequentemente tarefas mais interessantes que exigem design criativo. O peso do trabalho, o que equivale a revelar detalhes sutis, encontrando padrões, ou realizando cálculos complexos, agora pode ser relegado à automação. "