O papel crucial dos motivos funcionais—unidades microestruturais que governam as funções materiais—na pesquisa de materiais
O paradigma começa com os principais aspectos das estruturas microscópicas e as propriedades dos materiais. Com base na qual os motivos funcionais que governam as propriedades do material podem ser extraídos e as relações quantitativas entre eles podem ser investigadas, e os resultados podem ser desenvolvidos como a “teoria dos motivos funcionais”. Este último deve ser útil como guia para a criação de novos materiais e como ferramenta para prever as propriedades físico-químicas dos materiais. Crédito:Science China Press
O método tradicional de tentativa e erro na pesquisa de materiais não pode atender à crescente demanda de vários materiais de alto desempenho, portanto, desenvolver um novo paradigma eficaz da ciência dos materiais é extremamente urgente. Um estudo liderado pelo Dr. Xiao-Ming Jiang e Prof. Guo-Cong Guo (Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências) propõe um novo paradigma de pesquisa para estudos de materiais baseado no conceito de "motivo funcional".
Motivo funcional foi definido como as unidades microestruturais críticas (por exemplo, componentes constituintes e blocos de construção) que desempenham um papel decisivo na geração de certas funções materiais. Essas unidades não podem ser substituídas por outras unidades de estrutura sem perder ou suprimir significativamente as funções relevantes. O paradigma do motivo funcional começa com os principais aspectos das estruturas microscópicas e as propriedades dos materiais. Com base nesse entendimento, os motivos funcionais que governam as propriedades do material podem ser extraídos e as relações quantitativas entre eles podem ser investigadas, e os resultados podem ser desenvolvidos como a "teoria dos motivos funcionais". Este último deve ser útil como guia para a criação de novos materiais e como ferramenta para prever as propriedades físico-químicas dos materiais.
As propriedades dos materiais são determinadas por seus motivos funcionais e como eles são organizados nos materiais, com o último determinando as relações quantitativas estrutura-propriedade. Descobrir os motivos funcionais e seus arranjos é crucial para entender as propriedades dos materiais, e a exploração dos motivos funcionais permite o projeto racional de novos materiais com as propriedades desejadas.
Em termos da escala de comprimento das características estruturais, a estrutura do material pode ser classificada em estruturas macroscópicas, mesoscópicas e microscópicas. E a estrutura microscópica dos materiais pode ser plausivelmente categorizada em seis tipos:(1) estruturas cristalinas possuindo uma ordem de átomos de longo alcance, (2) estruturas magnéticas com ordem de momentos de spin de longo alcance em materiais cristalinos, (3) estruturas aperiódicas com modulações atômicas organizadas de longo alcance de um material cristalino, (4) estruturas de defeitos com distribuições aleatórias ou não aleatórias de longo alcance de defeitos atômicos em materiais cristalinos, (5) estruturas locais representando ambientes de coordenação local de átomos na faixa de várias coordenações camadas, e (6) estruturas eletrônicas representando distribuições de densidade eletrônica no espaço real (ou espaço de posição) e aquelas que representam distribuições eletrônicas no espaço de momento (ou espaço k). Essa classificação não é muito rigorosa, mas beneficia as investigações de motivos funcionais e relações estrutura-propriedade. (Bolas rosa no quadrado vermelho representam os átomos em uma célula unitária repetida; a seta preta representa os momentos de spin. As linhas azuis destacam as posições relativas dos átomos.). Crédito:Science China Press
Dada a importância das estruturas microscópicas no paradigma do motivo funcional, é necessário compreender completamente as estruturas materiais. A hierarquia da estrutura do material envolve informações que cruzam várias escalas de comprimento e tempo. Jiang X-M et al classificam as estruturas materiais em macroscópicas, mesoscópicas e microscópicas, e ainda classificam as estruturas microscópicas em seis tipos. isto é, as estruturas cristalina, magnética, aperiódica, de defeito, local e eletrônica. Para cada tipo de estrutura microscópica, Jiang X-M et al apresentam o papel dos motivos funcionais e seus arranjos na determinação de propriedades com materiais funcionais representativos.
Jiang X-M et al usam materiais NLO infravermelho (IR) como um exemplo para introduzir a estratégia de design orientada para a função de novos materiais funcionais, nos quais o papel dos motivos funcionais dos materiais é enfatizado no design dos materiais. Essa estratégia difere da estratégia tradicional de design orientado à estrutura.
Jiang X-M et al também discutem o importante papel da experimentação e cálculo de alto rendimento em estudos de materiais e os desafios para extrair motivos funcionais de uma enorme quantidade de dados sobre estruturas e propriedades de materiais. Espera-se que o aprendizado de máquina seja útil para prever com eficiência as propriedades do material e selecionar materiais com as propriedades desejadas. Para o projeto de novos materiais, é imperativo desenvolver estruturas de materiais e bancos de dados de propriedades suficientemente confiáveis e novos métodos eficazes para extrair motivos funcionais e relações estrutura-propriedade de materiais de modelos de aprendizado de máquina.
A pesquisa foi publicada na
National Science Review .
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