Ferramentas permitem compreender relação entre estrutura e propriedades, visando aplicações em energia solar, novas baterias e capacitores e catálise, dentre outras

Na pesquisa que busca soluções para a transição energética de uma sociedade baseada em combustíveis fósseis para um modelo sustentável, um dos principais desafios é o desenvolvimento de novos materiais para a conversão, armazenamento e transporte de energia. Nesse processo, a colaboração entre estudos experimentais e a Ciência Computacional de Materiais e Química, fundamentada em princípios teóricos da Física e Química, tem revolucionado a investigação, descoberta e síntese desses novos materiais. No Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), centro de pesquisa em Engenharia apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e pela Shell, esses avanços acontecem pela atuação da divisão de pesquisa chamada de “Ciência Computacional de Materiais e Química” (CMSC), coordenada por Juarez Lopes Ferreira da Silva, docente do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São Paulo (USP).

A Química/Mecânica Quântica é a teoria que permite a compreensão do comportamento da matéria na escala atômica, na qual o movimento dos elétrons e núcleos definem o comportamento da matéria. Para o desenvolvimento de novos materiais, com as propriedades desejadas (elétricas, magnéticas, de estabilidade termodinâmica, dentre outras), é fundamental compreender a relação entre a estrutura do material e suas propriedades e, nesse sentido, as ferramentas computacionais podem ser empregadas de dois modos distintos: na compreensão das propriedades de materiais já obtidos experimentalmente ou na previsão de propriedades de materiais ainda inexistentes.

“Quando já há resultados experimentais indicando as propriedades de um determinado material, a Ciência Computacional permite compreender a relação dessas propriedades com a estrutura atômica daquele material, ou seja, explicar a origem daquelas propriedades. Além disso, é possível explorar e prever as propriedades de classes de materiais difíceis de serem sintetizados em laboratório. Com isso, a Ciência Computacional pode ajudar os pesquisadores a direcionarem seus esforços às classes de materiais mais promissores para uma determinada aplicação”, detalha o pesquisador do IQSC. “Quando você compreende a relação entre estrutura e propriedades, você tem a possibilidade de desenvolver materiais com as propriedades que deseja”, complementa.

O coordenador da Divisão destaca que a composição da equipe de pesquisadores buscou combinar diferentes competências, e que é essa complementaridade que permite a abordagem de uma diversidade de problemas, envolvendo, por exemplo, desde o nível do elétron até propriedades macroscópicas. No total, são 12 pesquisadores principais, da própria USP, da Universidade Estadual Paulista (Unesp) e das universidades federais do ABC (UFABC) e de São Paulo (Unifesp), além de graduandos, pós-graduandos e pós- doutorandos, das áreas de Física, Química e Ciência da Computação.

Projetos

A divisão de Ciência Computacional de Materiais e Química do CINE é responsável por cinco projetos de pesquisa. Dois deles estão relacionados à busca de novos nanomateriais para aplicação em catálise, visando reações de conversão de metano e de dióxido de carbono (CO 2 ) em outros produtos, mais valiosos economicamente e/ou interessantes ambientalmente. O metano, por exemplo, pode ser convertido em metanol, e o CO 2 em ácido oxálico, dentre inúmeras outras possibilidades. O coordenador da Divisão conta que um dos materiais com os quais têm trabalhado são partículas de metais de transição contendo somente alguns nanômetros.

“Quando reduzimos o tamanho das partículas, uma série de parâmetros – número de átomos, sua posição, número de elétrons, dentre outros – alteram as propriedades do material em relação às propriedades macroscópicas. Quando conseguimos estabilizar o tamanho e ter controle da relação entre estrutura e propriedades, podemos desenvolver materiais com um mesmo elemento mas propriedades muito distintas. No caso dos chamados nanocatalisadores, o que se tem conseguido obter é sistemas mais eficientes que os sistemas macroscópicos”, detalha. Em 2019, esses estudos já resultaram em alguns artigos que relatam resultados preliminares, relativos ao entendimento desses materiais, e ao menos outros dois ainda devem ser publicados, já mais próximos da aplicação.

Um outro projeto investiga materiais (calcogenetos bidimensionais, perovskitas e materiais orgânicos) para células fotovoltaicas e também já levou a publicações neste ano. Uma das linhas de pesquisa, em colaboração com a divisão de Portadores Densos de Energia do CINE, partiu de resultados experimentais de análise de perovskitas (classe de materiais caracterizados por estruturas cristalinas específicas) para avançar, com o apoio das ferramentas computacionais, na compreensão das relações entre estrutura e propriedades. “Este trabalho conjunto, que combina a parte experimental com a simulação computacional, leva a uma compreensão mais sólida daquilo que se está estudando. O objetivo é compreender porque essa classe de materiais tem determinadas propriedades para poder ajustar essas propriedades na direção pretendida. Nesse sentido, existem informações que podemos calcular usando a Química Quântica que não são acessíveis do ponto de vista experimental, e existem medidas experimentais muito difíceis de serem obtidas computacionalmente”, explica Juarez. “No caso da perovskita, é preciso, por exemplo, protegê-la da umidade na célula solar e, para isso, precisamos encontrar materiais adequados. Outra necessidade é substituir o chumbo utilizado tradicionalmente nessas células, por causa da toxicidade, e precisamos achar materiais que o substituam mantendo as mesmas propriedades. Quando você está na fase de desenvolvimento de um material para uma determinada aplicação tecnológica, às vezes o material ainda não tudo que é preciso para a aplicação final, e por isso são necessários os ajustes”, conclui.

Um quarto projeto diz respeito a materiais para baterias e capacitores mais eficientes e/ou baratos que os atuais e o quinto ao desenvolvimento de novos algoritmos de aprendizagem de máquina para a área de Materiais. Ambos também já resultaram em publicações, e todas elas podem ser conferidas no site do CINE, em cine.org.br. No site, também há várias outras informações sobre todas as divisões do Centro, como a identificação dos pesquisadores, instituições envolvidas e as notícias mais recentes, dentre outras.

Foto: Estruturas de nanoclusters contendo 55-átomos obtidas com Química Quântica Computacional pelo grupo coordenado por Juarez L. F. da Silva (Crédito: QTNano)