Acoplando automação de computador a uma impressora jato de tinta usada originalmente para imprimir designs de camisetas, pesquisadores da Caltech e do Google desenvolveram um método de alto rendimento para identificar novos materiais com propriedades interessantes. Em uma execução de teste do processo, eles examinaram centenas de milhares de novos materiais possíveis e descobriram um feito de cobalto, tântalo, e estanho que tem transparência ajustável e atua como um bom catalisador para reações químicas, enquanto permanece estável em eletrólitos de ácido forte.

O esforço, descrito em um artigo científico publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), foi liderado por John Gregoire e Joel Haber do Caltech, e Lusann Yang do Google. Baseia-se na pesquisa realizada no Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), um Centro de Inovação Energética do Departamento de Energia (DOE) na Caltech, e continua com o sucessor do JCAP, a Liquid Sunlight Alliance (LiSA), um esforço financiado pelo DOE que visa agilizar as etapas complicadas necessárias para converter a luz solar em combustíveis, para tornar esse processo mais eficiente.

Criar novos materiais não é tão simples quanto colocar alguns elementos diferentes em um tubo de ensaio e sacudi-lo para ver o que acontece. Você precisa dos elementos que combinam para se ligarem uns aos outros no nível atômico para criar algo novo e diferente, em vez de apenas uma mistura heterogênea de ingredientes. Com um número quase infinito de combinações possíveis dos vários quadrados na tabela periódica, o desafio é saber quais combinações resultarão em tal material.

"A descoberta de materiais pode ser um processo desolador. Se você não consegue prever onde encontrar as propriedades desejadas, você poderia passar toda a sua carreira misturando elementos aleatórios e nunca encontrar nada interessante, "diz Gregoire, professor pesquisador de física aplicada e ciência dos materiais, pesquisador do JCAP, e líder da equipe LiSA.

Ao combinar um pequeno número de elementos individuais, os cientistas de materiais muitas vezes podem fazer previsões sobre quais propriedades um novo material pode ter com base em suas partes constituintes. Contudo, esse processo rapidamente se torna insustentável quando misturas mais complicadas são feitas.

"Qualquer coisa mais do que dois elementos é considerada 'alta dimensão' na ciência dos materiais, "Gregoire diz." A maioria ou todos os óxidos de um e dois metais já são conhecidos, ", diz ele." A fronteira desconhecida é três ou mais juntas. "(Os óxidos de metal são materiais sólidos que contêm íons de metal carregados positivamente, ou cátions, e íons de oxigênio carregados negativamente, ou ânions; ferrugem, por exemplo, é óxido de ferro.)

A maioria dos materiais da crosta terrestre são óxidos de metal, porque o oxigênio da atmosfera reage com vários metais da crosta do planeta. A estabilidade ambiental dos óxidos de metal os torna praticamente úteis, desde que composições específicas de tais óxidos possam ser identificadas que fornecerão o mecanismo mecânico, óptico, eletrônico, e propriedades químicas necessárias para uma determinada tecnologia.

Embora os cientistas de materiais tenham mostrado como todas essas propriedades podem ser ajustadas através do uso de vários óxidos de metal, alcançar as propriedades necessárias para um determinado aplicativo pode exigir combinações específicas de vários elementos, e encontrar os corretos é um desafio assustador.

Para abordar a fronteira de três ou mais óxidos de metal, O grupo de Gregoire valeu-se do trabalho de uma década do JCAP. Lá, pesquisadores desenvolveram métodos para criar 100, 000 materiais por dia. Um desses materiais - descoberto neste estudo - foi produzido usando impressoras a jato de tinta reaproveitadas para "imprimir" novos materiais em folhas de vidro. Cada combinação de elementos foi impressa como uma linha com uma gradação da razão entre seus constituintes e então oxidada em alta temperatura.

Cada um desses materiais foi escaneado e fotografado na Caltech usando uma técnica de imagem hiperespectral desenvolvida em parceria com o Google que pode capturar rapidamente informações sobre o material, registrando quanta luz ele absorve em nove comprimentos de onda diferentes. "Não é uma análise abrangente do material, mas é rápido e oferece pistas para composições com propriedades interessantes, "diz Haber, Químico pesquisador e engenheiro de materiais na JCAP e LiSA.

Em tudo, a equipe Caltech criou 376, 752 combinações de óxido de três metais com base em 10 elementos de metal e amostras produzidas de cada combinação individual 10 vezes diferentes para detectar e eliminar quaisquer falhas no processo de síntese. "A impressão pode ter artefatos, que é o sacrifício que você faz pela velocidade. As análises do Google nos ensinaram a fazer tudo 10 vezes para gerar confiança nos resultados, "Gregoire diz.

Embora imperfeito, o processo cria materiais de três metais cerca de 1, 000 vezes mais rápido do que as técnicas tradicionais, como deposição de vapor, em que o novo material é revestido sobre um substrato condensando-o a partir de um vapor.

Os engenheiros de computação do Google criaram algoritmos para processar as imagens hiperespectrais e buscaram composições específicas cujas propriedades ópticas só podem ser explicadas por interações químicas entre os três elementos metálicos.

"Se os três elementos interagem quimicamente para fornecer propriedades ópticas excepcionais, suas interações também podem dar origem a outras propriedades excepcionais, "Gregoire explica. Como a técnica pode identificar a pequena fração das composições que apresentam evidências dessas interações químicas, também restringe o palheiro para cientistas de materiais em busca de agulhas, por assim dizer.

"O laboratório de John teve o tipo de problema com que sonhamos no Google Applied Science; ele pode imprimir centenas de milhares de amostras em um dia, resultando em terabytes de dados de imagem, "diz o pesquisador do Google Lusann Yang." Ficamos muito satisfeitos em trabalhar junto com ele em cada etapa desta colaboração de seis anos, encontrar locais para aplicar o kit de ferramentas exclusivo do Google para experimentos iterativos em grandes quantidades de dados ruidosos:projetar experimentos, depuração de hardware, processar grandes quantidades de dados de imagem, e a criação de algoritmos inspirados na física. O resultado é um conjunto de dados experimentais de amplitude única em muitos espaços químicos que tenho orgulho de abrir o código. "

Para validar suas descobertas, A equipe de Gregoire na Caltech recriou os materiais marcados como "interessantes" usando deposição física de vapor e os analisou usando difração de raios-X, um processo mais lento, porém mais completo do que a imagem hiperespectral. Esse tipo de validação revelou que o processo automatizado de alto rendimento era mais adequado para detectar novos materiais do que uma análise completa dos dados hiperespectrais por um cientista humano.

o PNAS o artigo é intitulado "Descoberta de óxidos complexos por meio de experimentos automatizados e ciência de dados".