Pesquisador de engenharia usa ciência de rede para entender como os materiais funcionam

A ciência em rede é como matemáticos e projetistas de software constroem redes sociais complexas como o Facebook. Mas um grupo de pesquisadores da Universidade Estadual da Flórida descobriu que essas equações podem dizer muito aos engenheiros sobre a composição de diferentes materiais.

Usando a ciência em rede – parte de um campo matemático maior chamado teoria dos grafos – William Oates, ex-aluno de pós-graduação Peter Woerner e Professor Associado Kunihiko “Sam” Taira mapeou forças atômicas de longo alcance em um grafo incrivelmente complexo para simular o comportamento material macroscópico.

O grupo então desenvolveu e aplicou um método que simplifica muito o gráfico para que outros pesquisadores possam replicar o processo com outros materiais.

O trabalho é publicado na revista PLOS ONE.

Oates disse que usar a teoria dos grafos permite que os pesquisadores entendam melhor como as moléculas que compõem um material funcionam em um nível macroscópico.

“Todos os átomos têm elétrons e núcleos com cargas positivas, eles criam forças entre os íons”, disse Oates. “Tentar descrever isso como uma estrutura global é um desafio. Existem métodos para modelar moléculas, mas o desafio é como descrever o comportamento macroscópico. Saber como as moléculas interagem é apenas metade do problema. A ciência da rede fornece uma ponte única que nos permite levar a dinâmica das moléculas ao mundo macroscópico “.

Em última análise, os pesquisadores querem entender todas as interações atômicas em um determinado material para que possam entender como e por que os materiais se comportam de certas maneiras, disse Oates. Mas quando você acompanha todas as interações atômicas em um material, torna-se um grande problema para resolver em um computador.

O grupo de Oates trabalhou para torná-lo um problema muito menor.

Ao olhar para um gráfico que mostra os átomos em um material, Oates disse pensar em átomos e as forças entre eles como contas e molas. As cargas atômicas conectam essas contas e elas vibram de maneiras complicadas – algumas mais rápidas e outras mais lentas.

Para fins de engenharia, não era necessário manter o controle de todas as forças. Então, o grupo aplicou um método para descobrir como as forças no gráfico poderiam ser reconectadas sem criar erros.

Usando esse conhecimento, seu algoritmo excluiu certas forças atômicas dentro do gráfico e o reconectou para que mantivessem informações importantes, ao mesmo tempo em que facilitam o cálculo do comportamento macroscópico.

“Você recortou as coisas sem importância e manteve as partes importantes para fazer as simulações rodarem substancialmente mais rápido”, disse Oates. “Esse foi realmente o objetivo – simplificá-lo para acelerar a pesquisa de materiais computacionais”.

A pesquisa de Oates é financiada pelo programa EAGER da National Science Foundation, uma infusão de financiamento de um ano que permite que um membro do corpo docente busque uma ideia de pesquisa de alto risco, mas potencialmente transformadora.

Este primeiro estudo foi mais uma prova de conceito, ele disse. Ele agora vai ver se esse método teórico gráfico pode dizer aos pesquisadores como tornar um material mais eficiente ou como ele pode transportar energia mais rapidamente.

“Podemos usar esses modelos de rede para ajudar a facilitar esse processo de projeto”, disse Oates.

Aditya Nair, estudante de doutorado na Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU, também contribuiu para este estudo.

Fonte:
Universidade Estadual da Flórida

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *