Materiais em aplicações industriais e de engenharia, como ferro e aço, são frequentemente usados ​​em pressões e temperaturas extremas ou em ambientes complexos onde suas propriedades podem ser muito diferentes daquelas encontradas em circunstâncias normais.

Talvez o exemplo mais famoso disso na prática sejam os ladrilhos externos do Ônibus Espacial Columbia da NASA, que foi coberto com uma combinação de compostos de sílica e óxido de alumínio para protegê-lo contra temperaturas de até 1, 200 graus F. Olhando para trás agora, foi um feito de engenharia incrível conseguir isso, considerando que eles não tinham o poder computacional que temos hoje.

A capacidade de prever as propriedades dos materiais, como com os ladrilhos, longe das condições encontradas na experiência comum, e onde as medições experimentais são limitadas, é, portanto, uma grande vantagem no design e descoberta de materiais. Esta situação apresenta desafios únicos para a simulação de materiais, pois requer que os modelos e seus pressupostos subjacentes sejam aplicados em situações muito diferentes daquelas em que foram desenvolvidos.

Uma equipe envolvendo a IBM Research e o Centro Hartree do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido (STFC) desenvolveu uma nova classe de métodos de simulação de materiais projetados para melhorar o poder preditivo e estender a gama de condições nas quais os modelos de simulação de materiais em escala molecular podem ser aplicados com confiança. Isso é conseguido incorporando respostas eletrônicas na descrição molecular. Esta inovação permite que as moléculas simuladas se adaptem ao seu ambiente da mesma forma que as moléculas "reais" e é eficiente o suficiente para ser aplicado a relativamente grandes, sistemas complexos.

Em um jornal publicado hoje em Nature Scientific Reports , abordamos o famoso desafio da água líquida como um sistema modelo exibindo mudanças incomuns e dramáticas nas propriedades físicas dependendo da temperatura - com um comportamento particularmente misterioso (como uma temperatura de densidade máxima e expansão térmica negativa) aparecendo próximo e abaixo do ponto de congelamento.

Nossa equipe usa simulação de materiais para explorar a estrutura e as propriedades da água nos extremos de sua faixa de estabilidade como um líquido:Em seu limite de alta temperatura quando o líquido primeiro se condensa em pequenas cadeias de escala molecular e gotículas até as temperaturas mais baixas alcançáveis ​​para o líquido "super-resfriado" altamente estruturado - que sobrevive bem abaixo do ponto de congelamento normal; e no desconhecido regime "esticado" - onde as ligações líquidas suportam altas tensões de tração antes de "quebrar" para formar cavidades de vapor. O trabalho também revela relações anteriormente não reconhecidas entre a estrutura do líquido e as dos "gelados vítreos".

O acordo com a evidência experimental disponível em uma ampla gama de condições é uma evidência poderosa de que as respostas eletrônicas incorporadas no modelo capturam a física essencial necessária para descrever algumas das propriedades misteriosas da água e expor suas origens moleculares pela primeira vez.

Enquanto em nosso trabalho nos concentramos em água ou líquidos, também é prático para sólidos, e atualmente estamos desenvolvendo para aplicações mais amplas em setores industriais, como nas ciências da vida, por meio do Hartree Center.

Pensando nos engenheiros que projetaram o ônibus espacial, eles provavelmente tiveram meses, senão anos de tentativa e erro para desenvolver os ladrilhos para serem resistentes ao calor, ainda leve e não muito frágil. Aplicando a tecnologia discutida em nosso artigo, eles poderiam ter testado centenas de projetos em minutos. Não esquecer, estamos fazendo testes virtuais, que também é muito mais barato e seguro quando comparado aos testes físicos.

Estou confiante de que este trabalho de simulação de materiais contribuirá para uma nova era cognitiva de descoberta.