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TRABALHO SOBRE MODIFICAÇÃO DE TRANSPARÊNCIA DE MATERIAL, REALIZADO COM RECURSOS DO SUPERCOMPUTADOR SDUMONT, É PUBLICADO NA REVISTA SCIENCE
Publicado em: 10/07/2018,14:34
Publicado recentemente na Revista Science, uma das revistas acadêmicas mais prestigiadas do mundo, o artigo Chiromagnetic nanoparticles and gels mostra a importância da pesquisa conjunta de grupos teóricos e experimentais para o desenvolvimento de novas tecnologias. A pesquisa foi desenvolvida em paralelo pelos grupos liderados pelos professores André Farias de Moura (Universidade Federal de São Carlos) e Nicholas Kotov (University of Michigan), e levou cercar de três anos para ser finalizada.
Capa da Revista Science de Junho/2018
O principal objetivo da investigação era obter um material que pudesse ter a sua transparência modificada durante o uso e que essa modificação fosse controlável e reversível. Normalmente, o grau de transparência de um material é definido no momento em que ele é produzido, não podendo ser modulado em uso. Obviamente, isso cria uma dificuldade para aplicações que necessitam de uma alternância entre o opaco e o transparente, como no caso da holografia 3D em tempo real, em que voxels de uma paleta de cores variada precisam alternar entre os estados opaco e transparente para produzir as imagens no volume. Mais do que isso, deseja-se que esta variação seja gradual, o que permitiria gerar imagens com alta qualidade de detalhes e nuances.
Com estas aplicações em mente, o grupo experimental do professor Nicholas Kotov escolheu, como sistema para realizar a prova de conceito, um material já bastante conhecido por suas propriedades magnéticas: o espinélio de óxido de cobalto. A novidade consistiu em agregar uma nova propriedade a este material, a quiralidade. O exemplo mais acessível de quiralidade é dado pelas mãos, que classificamos como direita e esquerda e reconhecemos que elas são semelhantes em muitos aspectos, mas diferem no fato de que a mão esquerda é a imagem o espelho da mão direita.
Na verdade, a vida na biosfera terrestre é formada por moléculas de quiralidade bem definida, e uma destas moléculas, o amino ácido cisteína foi a escolha do grupo experimental para tornar as nanopartículas de óxido de cobalto quirais. Mas qual é a vantagem de adicionar a propriedade de quiralidade a este material magnético? O fato de que as naopartículas são magnéticas já permite modificar a transparência por meio de um campo magnético, mas se além de magnéticas elas forem quirais é possível ter um grau de controle maior e mais fino da modificação transparência pelo campo magnético. De fato, esta habilidade de controlar a transparência do material foi demonstrada experimentalmente, e nesse ponto entrou a simulação computacional, buscando responder os porquês de haver essa modificação, quando combinados o magnetismo do material com a quiralidade.
A modelagem computacional somente foi possível graças aos recursos computacionais do supercomputador Santos Dumont (SDumont), que está localizado na sede do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), em Petrópolis-RJ. O SDumont possui capacidade instalada de processamento na ordem de 1,1 Petaflop/s (1,1 x 1015 float-point operations per second), um total de 18.144 núcleos de CPU, tendo sido utilizados nesta pesquisa 1.200 núcleos de processamento, por cerca de 45 dias seguidos!
Dado o tipo de problema, foram realizados diversos cálculos quânticos para modelos deste material, contendo quase 200 átomos e mais de 1.300 elétrons. Este tamanho de sistema é muito superior ao encontrado na literatura, principalmente utilizando métodos considerados de alta qualidade (e alto custo computacional).
Foto: Paulo Faria
Mas o que os modelos conseguiram demonstrar? O principal papel da modelagem computacional é mostrar detalhes que não podem ser vistos por técnicas experimentais, então o grupo teórico forneceu uma descrição detalhada de como a molécula de cisteína se liga à nanopartícula deste material cerâmico. Isso é fundamental para as investigações futuras em sistemas semelhantes, pois as ideias gerais que foram obtidas, a partir das simulações, mostraram que outras moléculas quirais podem ter o mesmo efeito e que outras nanoestruturas de materiais magnéticos também podem ser usadas para aplicações em que o controle de transparência seja crítico.
Assim, o investimento feito nesta investigação teórico-experimental deve permitir que as novas pesquisas neste tipo de material funcional sejam mais rápidas e mais baratas.
O artigo está disponível aqui.