Simulações computacionais em física: explorando a estrutura nanométrica da matéria.

Postado em 20/05/2020 por Gleydson Fernandes

Estado sólido e materiais, Física dos Materiais, Métodos computacionais

Professor, poderia fazer uma breve apresentação sua e do seu trabalho?

E.Brito: Me chamo Elias Brito, soteropolitano, bacharel em Física pela Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS), mestre e doutor pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB) e com estágio pós-doutoral pela Universidade Federal de Alagoas (UFAL). Toda a minha formação é na área de Física da Matéria Condensada, especificamente em simulação de sistemas nanoestruturados, onde utilizamos os computadores para realizar cálculos avançados das propriedades de materiais na escala nano (tamanhos atômicos), com objetivo de entender a natureza a esse nível de tamanho e também manipulá-lo para obtenção de propriedades antes desconhecidas. O foco da minha pesquisa na época de formação era estudar como alguns materiais possuíam propriedades eletrônicas manipuláveis para ser possível desenvolver equipamentos na eletrônica moderna.

O senhor trabalha simulando a natureza em escala nanométrica, o que é um bilhão de vezes menor do que um metro. Para a física isso é natural hoje em dia, mas ainda assim é impressionante o fato de ser possível observar e manipular a natureza nessa escala. Como o senhor se sente fazendo essas manipulações e conseguindo resultados?

E.Brito: É incrível! Quando você começa a estudar a história, desde o conceito do átomo (indivisível) discutido na Grécia antiga, passando por Richard Feynman e sua famosa palestra (http://www.comciencia.br/dossies-1-72/reportagens/nanotecnologia/nano19.htm), vemos que, em pouquíssimo tempo, a ciência conseguiu avançar para manipulação nessa escala de tamanho. Eu, por realizar simulações, posso avançar um pouco mais que os físicos experimentais, que possuem barreiras técnicas e as vezes de estrutura. Entretanto, só de pensar que algo proposto e estudado por você é passível de realização experimental, já é algo indescritível.

As nanoestruturas ganharam uma notoriedade nas mídias nos últimos anos por causa do grafeno, que foi sintetizado e já tem várias aplicações. Por que tanto destaque para esse material? O que há de especial em sua estrutura e em suas propriedades que o fazem tão relevante?

E.Brito: O grafeno, sintetizado em 2004 por Geim e Novoselov [1] mas já estudado teoricamente bem antes, foi uma grande revolução na chamada ciência dos materiais pois suas propriedades são diferentes do silício. O silício é o elemento mais importante na eletrônica moderna devido ao fácil controle de suas propriedades e, em relação às perdas energéticas como calor e desgaste, é ainda o material com o melhor custo-benefício do mundo. Discute-se muito que a “era do silício” está no fim, já que questões como aquecimento e capacidade de prover suporte ao avanço científico-tecnológico da computação e eletrônica já chegou ao limite. O que nos obriga a buscar novos materiais que suportem esses avanços.

O grafeno é um material composto por átomos de carbono, como o diamante e o grafite. Estes últimos são formados por átomos distribuídos em três dimensões. O diamante como um arranjo cristalino, onde podemos pensar como um cubo onde todos os átomos se ligam de forma específica. Já o grafite pode ser imaginado como um objeto formado por várias folhas sobrepostas. Em cada folha há um grupo de átomos formando-a em 2 dimensões. A uma única folha damos o nome de grafeno.

De 2004 para cá foram descobertas diversas propriedades interessantes do grafeno. Desde sua flexibilidade, sua alta condutividade, sua pouca dissipação de calor, resistência dentre outras. Com isso, o grafeno ainda é o maior candidato a substituto do silício como material líder nos equipamentos do futuro. Só que o grafeno vai além. Por ser composto de carbono, a química orgânica se aproveita dele para uso em fármacos, a engenharia civil em cimentos mais resistentes, a engenharia sanitária e ambiental em “peneiras” para dessalinização da água do mar, etc…

Apesar de muitas vezes já parecer que 2004 está distante, há muito o que se investigar, descobrir e avançar no estudo do grafeno. Realmente estamos no início.

O trabalho computacional está sempre muito ligado com o trabalho experimental em física e também em química. Fala um pouco sobre essa relação. Qual a importância das simulações computacionais para o experimental e vice-versa?

E.Brito: O trabalho da simulação é tentar, por meio de métodos teóricos – hipóteses e modelos matemáticos -, obter o comportamento dos fenômenos que estejam de acordo com os resultados experimentais. Se o cálculo computacional realizado por meio desses métodos e hipóteses estiverem de acordo com o conhecido, podemos avançar e fazer previsões. Na minha visão – principalmente baseada em Física de Materiais – temos sempre que estar de acordo com o que os experimentais medem e observam, pois o risco de extrapolar o que a natureza se mostra possível é grande. Com isso, eu digo que a relação é vantajosa para ambos os lados. Do lado da simulação, se tivermos uma referência experimental, sabemos onde estamos pisando e como poderemos fazer previsões utilizando os modelos teóricos, visto que temos por objetivo conhecer o comportamento de certos materiais, evitando chegar a resultados errados acreditando ter descoberto uma nova Física. Do lado experimental, a vantagem em ter previsões teóricas via simulação é ter um guia do seu trabalho, onde economiza tempo – e dinheiro! – e impede que suas pesquisas sejam feitas por tentativa e erro, mas sim buscando aquele comportamento esperado que estejam de acordo com o modelo teórico que melhor se enquadre nas suas medidas.

Um trabalho que se faz muito computacionalmente e experimentalmente é a dopagem de nanoestruturas. Explica pra gente o que são essas dopagens.

E.Brito: O termo dopagem na nossa área está relacionado à alteração da composição do material, normalmente por uma troca, acréscimo ou redução. Por exemplo, eu tenho um material que tenha 8 átomos de carbono. Se eu trocar um desses átomos por outro de qualquer elemento (seguindo uma lógica e característica bem estabelecida pela ciência), por exemplo, de silício, eu tenho um material de carbono dopado com silício. Entende? Se o material permitir, eu posso também, acrescentar esse átomo de silício aos 8 átomos originais de carbono, resultando em um novo material com 9 átomos, 8 de carbono mais 1 de silício. Eu também tenho um material dopado. Há também a possibilidade de retirar um átomo de carbono dos 8 originais e deixar o “espaço vazio” lá. Nisso ocorre o que chamamos de dopagem por buraco.

As dopagens são feitas de maneira aleatória ou existem parâmetros que indicam que uma certa modificação pode melhorar uma propriedade específica do material?

E.Brito: Depende. Se com aleatório você quer dizer que de qualquer jeito iremos obter o mesmo resultado, não. Na simulação, podemos escolher EXATAMENTE onde queremos fazer a dopagem. Por outro lado, não podemos ser caprichosos ao ponto de acreditar que os experimentais irão fazer a dopagem naquele átomo escolhido. É aí que a conversa tem que ocorrer. Apesar de falarmos em manipulação atômica, no laboratório as coisas não são realizadas dessa forma ainda. Por menor que seja o material estudado, ele é composto por um número muito grande de átomos aos quais os experimentais têm acesso e a dopagem ocorre com alguma probabilidade. Eles utilizam métodos que melhorem essas probabilidades, mas as características de cada material definem muito bem isso. Ao entender esses comportamentos, nós da simulação iremos buscar configurações que se aproximem do “real” e tentar explicar o porquê disso. Assim a conversa vai seguindo. Por exemplo, existe um material que tem propriedades isolantes que é nitreto de boro, formado por átomos de nitrogênio e boro. Quando tentamos dopar uma folha de grafeno com átomos de nitrogênio e boro separadamente, eles têm a tendência a se unirem, formando “ilhas” dentro da folha de grafeno. Sabendo disso, não tem porquê fazermos uma simulação desses átomos espalhados separadamente pela folha de carbono, pois experimentalmente não é viável. Talvez até impraticável.

Sobre os computadores, qual o nível de habilidade com programação é necessário para trabalhar com simulações computacionais hoje em dia? Os programas já oferecem os parâmetros físicos necessários para as simulações implementados?

E.Brito: Para ser bem sincero, isso irá corresponder ao nível da sua pesquisa. Hoje em dia há diversos softwares – tanto gratuitos quanto pagos – que calculam diversas propriedades dos materiais mais estudados atualmente. Se o interesse é investigar tais propriedades, o que se aprende nos cursos de introdução a algoritmos é o suficiente para ter acesso aos códigos exigidos por estes softwares. O pesado fica a cargo do aprendizado da física da coisa. Mas, se você quer apender a modelar novas estruturas, ou trabalhar com coisas mais complexas, além de entender bem o estudo da geometria desses materiais, você tem que saber alguma linguagem – Fortran, C, C++ ou python – e saber como aplicá-la nessa área. Além disso, é possível também contribuir com o desenvolvimento de alguns desses softwares, principalmente os de código aberto, onde certas propriedades interessantes ainda não são calculadas.

A área de simulação é muito ampla e um físico que não sabe ao menos o básico de qualquer linguagem tende a ficar defasado. Que seja calcular equações diferenciais, seja nano estruturas, sejam tensores, sejam matrizes de partículas elementares. A ciência avançou muito e, apesar de haver muito o que fazer no estudo de métodos analíticos, a computação é imprescindível para o avanço no conhecimento da ciência com um todo.

[1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, Vol. 306, Issue 5696, pp. 666-669, 22 Oct 2004.

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