Se você aplicar calor suficiente, em algum momento, a maioria das coisas derreterá, assim como sorvete em um dia quente de verão.
Conhecer as temperaturas de fusão exatas é fundamental para a construção de qualquer material de alto desempenho. A construção e segurança de pontes, turbinas a gás, motores a jato e escudos térmicos em aeronaves dependem do conhecimento dos limites de desempenho dos materiais. Os materiais são frequentemente sintetizados ou processados ​​empregando o estado fundido ou líquido, portanto, conhecer a fusão é fundamental para a fabricação de novos materiais.

Mude para o campo da Terra e da ciência planetária, e os pontos de fusão são usados ​​para revelar pistas sobre o passado da Terra e as características dos planetas em nosso sistema solar e exoplanetas em órbita distante.

Mas medir a temperatura de fusão de um composto ou material é uma tarefa árdua. É por isso que, dos mais de 200.000 compostos inorgânicos estimados, menos de 10% de suas temperaturas de fusão são conhecidas.

As temperaturas de fusão são frequentemente medidas após calibrar cuidadosamente as estruturas cristalinas ou traçar as curvas de energia livre termodinâmica quando um material funde, criando uma mudança de fase de um sólido para um líquido. Isso é análogo ao derretimento do gelo sólido para formar água líquida. Mas quando os materiais de alta temperatura excedem 2.000 ou 3.000 graus, encontrar uma câmara experimental para fazer as medições pode ser um desafio. E, às vezes, as rochas têm misturas complexas de minerais não muito maiores que um grão de areia – portanto, obter amostras suficientes de um único mineral também pode representar um desafio. Materiais sintetizados sob condições extremas de alta pressão e temperatura também estão disponíveis em quantidades muito pequenas.

Agora, os pesquisadores da Arizona State University Qi-Jun Hong, Alexandra Navrotsky e Sergey Ushakov, juntamente com Axel van de Walle da Brown University, aproveitaram o poder da inteligência artificial (IA) ou aprendizado de máquina (ML), para demonstrar uma maneira mais fácil para prever temperaturas de fusão para potencialmente qualquer composto ou fórmula química.

"Empregamos métodos de aprendizado de máquina para preencher essa lacuna, construindo um mapeamento rápido e preciso da fórmula química para a temperatura de fusão", disse Hong, professor assistente da Escola de Engenharia de Matéria, Transporte e Energia, nas Escolas Ira A. Fulton de Engenharia.

"O modelo que desenvolvemos facilitará a análise de dados em larga escala envolvendo a temperatura de fusão em uma ampla gama de áreas. Isso inclui a descoberta de novos materiais de alta temperatura, o design de novos processos de metalurgia extrativa, a modelagem da formação mineral, a evolução da Terra ao longo do tempo geológico e a previsão da estrutura do exoplaneta."

A abordagem de Hong permite que as temperaturas de fusão sejam calculadas em milissegundos para qualquer entrada de composto ou fórmula química. Para fazer isso, a equipe de pesquisa construiu um modelo a partir de uma arquitetura de redes neurais e treinou seu programa de aprendizado de máquina em um banco de dados personalizado abrangendo 9.375 materiais, dos quais 982 compostos têm temperaturas de fusão superiores a 3100 graus Fahrenheit (ou 2000 graus Kelvin). Materiais a esta temperatura brilham em brasa.

Hong usou essa metodologia para explorar duas linhas de pesquisa:1) prever as temperaturas de fusão de quase 5.000 minerais e 2) encontrar novos materiais que tenham temperaturas de fusão extremamente altas acima de 3.000 Kelvin (ou 5.000 graus Fahrenheit).

Para o projeto de minerais, a equipe de Hong foi capaz de prever as temperaturas de fusão e correlacioná-las com as principais épocas geológicas conhecidas da história da Terra. Essas temperaturas de fusão obtidas pela IA foram aplicadas a minerais feitos desde a formação da Terra, cerca de 4,5 bilhões de anos atrás. Os minerais mais antigos se originam diretamente de estrelas ou condensados ​​de nebulosas interestelares e solares anteriores à formação da Terra há 4,5 bilhões de anos. Estes são os mais refratários, com temperaturas de fusão em torno de 2600 F.

Na maior parte, houve uma diminuição gradual nas temperaturas de fusão calculadas dos minerais identificados na Terra com tempo mais recente, com duas grandes exceções.

“A diminuição geral gradual na temperatura de fusão dos minerais formados durante a história da Terra é interrompida com duas anomalias, que são distintamente pronunciadas em temperaturas médias e médias de fusão usando 250 ou 500 milhões de anos atrás”, disse Navrotsky, professor da ASU com corpo docente conjunto nomeações na Escola de Ciências Moleculares e Escola de Engenharia da Matéria, Transporte e Energia e Diretor de MOTU, o Centro Navrotsky Eyring para Materiais do Universo.

A primeira anomalia no início da história da Terra veio de um pico dramático de temperatura causado por um tempo assustador e dinâmico de grandes colisões de meteoros, incluindo a possível formação da Lua.

“O pico de 3,750 bilhões de anos atrás se correlaciona com o tempo proposto de bombardeio pesado tardio, hipotetizado exclusivamente a partir da datação de amostras lunares e atualmente debatido”, disse Navrotsky.

A equipe também notou uma grande queda de temperatura nas temperaturas de fusão dos minerais por volta de 1,75 bilhão de anos atrás.

"A queda de 1,750 bilhão de anos atrás está relacionada às primeiras ocorrências conhecidas de um grande número de minerais hidratados (contendo água) e se correlaciona com a glaciação Huroniana, a mais longa era glacial que se acredita ser a primeira vez que a Terra foi completamente coberta de gelo. ."

Com seu programa de aprendizado de máquina treinado para replicar com sucesso a fusão mineral no início da história da Terra, a equipe voltou sua atenção para encontrar novos materiais com temperaturas de fusão extremamente altas. Dezenas de novos materiais são identificados e computacionalmente previstos para ter temperaturas de fusão extremamente altas acima de 5.000 graus Fahrenheit (3.000 Kelvin), mais da metade da temperatura da superfície do Sol.

A equipe tornou seu modelo simples e confiável o suficiente para que qualquer usuário pudesse obter a temperatura de fusão em segundos para qualquer composto com base apenas em sua fórmula química.

"Para usar o modelo, o usuário precisa visitar a página da web e inserir as composições químicas do material de interesse", disse Hong. "O modelo responderá com uma temperatura de fusão prevista em segundos, bem como as temperaturas de fusão reais dos vizinhos mais próximos (ou seja, os materiais mais semelhantes) no banco de dados. manual de temperatura de fusão também."

O modelo, hospedado pelo Research Computing Facilities da ASU, agora está disponível publicamente na página da ASU:https://faculty.engineering.asu.edu/hong/melting-temperature-predictor/.

A pesquisa foi publicada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences . + Explorar mais

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