A simetria é uma característica predominante da natureza em todas as escalas. Por exemplo, nossos olhos nus podem facilmente identificar simetrias na forma corporal de inúmeros organismos. A simetria também é muito importante nos campos da física e da química, especialmente no reino microscópico de átomos e moléculas. Os cristais, que são materiais altamente ordenados, podem até ter vários tipos de simetria ao mesmo tempo, como simetria rotacional, simetria de inversão e simetria translacional.
Ultimamente, juntamente com o rápido progresso da ciência da computação, pesquisadores desenvolveram métodos computacionais que buscam prever as propriedades físicas dos cristais com base em sua estrutura eletrônica. Na prática, entretanto, raramente são usados ​​cristais puros e perfeitamente simétricos. Isso ocorre porque as propriedades de um cristal podem ser ajustadas conforme desejado, ligando-os com outros materiais ou substituindo aleatoriamente certos átomos por outros elementos, ou seja, dopagem.

Assim, os cientistas de materiais estão buscando abordagens computacionalmente eficientes para analisar tais ligas e cristais substituídos, também conhecidos como soluções sólidas. O "método da supercélula" é uma dessas abordagens e é amplamente utilizado para modelar estruturas cristalinas com substituições aleatórias de diferentes átomos. A simetria dos cristais, no entanto, é na verdade um problema ao usar essa técnica. Nos cristais, pode haver muitos padrões de substituição que são fisicamente equivalentes a outras substituições se simplesmente os transladarmos ou rotacionarmos. A descoberta desses padrões de substituição simétrica não é muito significativa e, portanto, seu cálculo ao usar o método da supercélula é uma perda de tempo.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor assistente Kousuke Nakano do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST) encontrou uma solução para esse problema. Eles desenvolveram um software de código aberto chamado "Suite para geração de modelos de alto rendimento com substituições atômicas implementadas pelo Python", ou SHRY que pode, em termos de simetria, gerar padrões de substituição distintos em soluções sólidas e ligas. Este trabalho, que foi publicado no Journal of Chemical Information and Modeling , foi co-autoria do estudante de doutorado Genki I. Prayogo, Dr. Andrea Tirelli, Professor Ryo Maezono e Professor Associado Kenta Hongo.

A equipe abordou o problema do ângulo da teoria dos grupos. Acontece que procurar padrões de substituição atômica em cristais é análogo ao problema de encontrar padrões de coloração nos vértices de grafos sob certas restrições. Isso permite reformular o problema original de encontrar substituições atômicas não simétricas em cristais explorando árvores de busca que descrevem a coloração de vértices em grafos.

No entanto, a forma como a árvore de busca é explorada é crucial. Uma abordagem simples e ingênua na qual todos os ramos possíveis são pesquisados ​​e comparados diretamente é impossível; o tempo e os cálculos necessários crescem incontrolavelmente para grandes sistemas. Isso acontece porque decidir explorar mais abaixo em uma ramificação requer informações sobre todas as outras ramificações além daquela que está sendo explorada, o que é tecnicamente chamado de "informações não locais".

Para evitar esse problema, os pesquisadores implementaram no SHRY uma técnica chamada aumento canônico. "Este método pode decidir se um galho de árvore deve ser explorado mais profundamente ou não baseado apenas em informações locais", explica o Dr. Nakano, "Mais importante, teoremas da teoria de grupos garantem que apenas padrões de substituição distintos serão extraídos, sem subexplorando a estrutura da árvore em termos de simetria." A equipe verificou que seu algoritmo estava livre de erros testando-o completamente com dados de um banco de dados de estruturas cristalinas.

Vale a pena notar que o SHRY foi escrito em Python 3, uma das linguagens de programação multiplataforma mais populares, e carregado no GitHub, uma plataforma online líder de compartilhamento de projetos. "SHRY pode ser usado como um programa autônomo ou importado para outro programa Python como um módulo", destaca Dr. Nakano, "Nosso software também usa o formato Crystallographic Information File (CIF) amplamente suportado para entrada e saída do conjuntos de estruturas cristalinas substituídas." A equipe planeja continuar melhorando o código do SHRY com base no feedback de outros usuários, aumentando sua velocidade e recursos.

No geral, o software desenvolvido neste estudo pode ajudar os cientistas a identificar possíveis substituições atômicas em sólidos, que é a estratégia mais comum usada para ajustar as propriedades dos materiais para aplicações práticas. A SHRY ajudará a acelerar a pesquisa e desenvolver cristais substituídos com funcionalidades sem precedentes e características superiores. + Explorar mais

Polaritons de cisalhamento hiperpolíticos em cristais de baixa simetria