Humanos máquinas e reprodutibilidade em química de materiais

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Humanos, máquinas e reprodutibilidade em química de
materiais
Há mais na descoberta de materiais do que apenas descoberta! Os robôs também superarão os seres
humanos na reprodutibilidade?
Crédito da imagem: Immo Wegmann Unsplash
Com toda a excitação em torno da inteligência artificial e do aprendizado de máquina e seu papel
crescente na descoberta de materiais, me pergunto se essa estratégia emergente de pesquisa será
capaz de transcender os desafios da reprodutibilidade de materiais que sempre confrontaram as
melhores práticas de inteligência humana, aprendizado experiencial e experiência prática.
De acordo com o Padrão Americano de Testes e Materiais, a ASTN International, a reprodutibilidade dos
materiais é atribuída como a precisão com a qual uma medição é feita em um material por um método
analítico específico sob um conjunto específico de condições de teste.
https://www.advancedsciencenews.com/thoughts-on-materials-discovery-at-the-human-machine-interface/
https://en.wikipedia.org/wiki/ASTM_International#:~:text=ASTM%20International%2C%20formerly%20known%20as%20American%20Society%20for,Some%2012%2C575%20ASTM%20voluntary%20consensus%20standards%20operate%20globally
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É certamente um desafio descobrir um novo material ou melhorar um que já existe, mas é igualmente
exigente fazer isso repetitivamente e reprodutivelmente – pré-requisitos para o seu sucesso tanto
científica quanto tecnologicamente. A complexidade de enfrentar esse desafio pode ser apreciada pelo
que exatamente está implicado por uma métrica de reprodutibilidade para uma síntese de baixo para
cima ou fabricação de cima para baixo de um material (visualizado na figura).
Como a maioria dos materiais no campo das energias renováveis é inorgânica, a questão da
reprodutibilidade neste comentário é focada nesta classe de sólidos.
Pureza é uma tarefa na avaliação da reprodutibilidade, mas em que nível? Esta é uma questão
importante que acaba por ser dependente da propriedade do material e do efeito de diferentes níveis de
variabilidade induzida pela pureza em suas métricas de desempenho quando integrada em um produto,
processo ou dispositivo.
É importante ter em mente que não importa quão inorgânicos os materiais de estado sólido sejam
preparados, a maioria é insolúvel em solventes e, portanto, não pode ser purificada por métodos de
cristalização semelhantes à maioria dos sólidos moleculares, cluster e poliméricos. Muitas vezes, tem
apenas uma única chance na preparação de um material de estado sólido para controlar sua pureza,
onde a pureza pode se referir à sua composição e fase.
Portanto, a reprodutibilidade da composição e da fase dependerá de uma preparação que produz o nível
desejado de pureza elementar e estrutural. Isso dependerá do grau de pureza dos precursores usados
na preparação e sua quantificação e reprodutibilidade de lote para lote e fornecedor para fornecedor, um
aspecto muitas vezes negligenciado de um caminho preparativo de materiais escolhidos.
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Os critérios para julgar o efeito da pureza serão baseados no limite de detecção específico das técnicas
analíticas empregadas para estabelecer uma composição elementar e uma figura de mérito de pureza
de fase. Essas métricas são medidas cruciais de reprodutibilidade de uma preparação de materiais,
como dopantes, defeitos, não estequiometria, impurezas, oclusões e espécies adsordadas podem ter
consequências dramáticas nas propriedades físicas e químicas de um material. Por exemplo, um
dopante não intencional pode mudar um material intrínseco eletricamente isolante para se tornar um
semicondutor, um defeito de vacância indesejado pode mudar um semicondutor em um metal ou mesmo
um supercondutor, e esses efeitos podem operar a menos de uma parte por cem de um dopante ou
defeito adventício.
Um determinante igualmente importante da reprodutibilidade de um material é a heterogeneidade de sua
forma física. A forma é um descritor genérico para saber se o material é feito como um único cristal, um
filme fino ou nanocristal. No caso dos materiais nanocristalinos, é preciso preocupar-se com a
quantificação da reprodutibilidade de seu tamanho, forma e superfície. Isto é especialmente verdadeiro
no que diz respeito à heterogeneidade de tamanhos de nanocristais, estado de agregação, interfaces e
limites de grãos e porosidade textural. A composição do material que compreende os nanocristais
controlará a faixa de tamanho em que os efeitos do tamanho quântico prevalecem e as leis de
dimensionamento físico que determinam a dependência de tamanho das propriedades ópticas, elétricas,
elétricas, magnéticas e térmicas dos nanocristais. A reprodutibilidade da distribuição do tamanho do
nanocristal da síntese à síntese dentro do mesmo laboratório ou entre diferentes laboratórios é
incrivelmente desafiadora.
Poderia um robô autônomo fazer melhor do que um operador humano? Talvez, porque a variabilidade
pode vir do conjunto de habilidades de um cientista, onde isso poderia ser eliminado em um
procedimento programado.
A superfície dos materiais nanocristalinos apresenta um obstáculo bastante original na busca pela
reprodutibilidade. É justo dizer que a superfície de um nanocristal apresenta o maior número de
incógnitas com relação ao controle reprodutível de sua morfologia e a ocorrência e prevalência de
diferentes facetas cristalinas. Fazer nanocristais de tamanho único e de forma única com um único tipo
de faceta representa a vanguarda do campo da nanoquímica. Normalmente, tem-se uma distribuição de
cada um na síntese de um material nanocristalino, que pode desfocar os efeitos do confinamento
quântico e confundir os efeitos da estrutura superficial e da área de superfície, por exemplo, a química
termoquímica, eletroquímica e da superfície fotoquímica e a contólise, condutórica iônica, eletrônica e
térmica.
Por fim, há a questão da reprodutibilidade do rendimento do produto. Para moléculas e polímeros que
podem ser feitos e purificados como produto e fase única, o rendimento é uma quantidade que, em
princípio, pode ser definida com precisão, mas o que queremos dizer com o rendimento de um conjunto
de nanocristais com tamanhos e formas variáveis e estados de agregação? Talvez o rendimento em
massa medido de toda a distribuição defina adequadamente a reprodutibilidade de um método
preparatório nanocristal em que cada componente do histograma de seu tamanho e forma em princípio
deve ser quantificado como uma figura de mérito para a reprodutibilidade da preparação de um material.
Claramente, há muito mais na descoberta de materiais realizada por humanos e máquinas do que
apenas descoberta! Este é um aspecto da descoberta de materiais por inteligência artificial e
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aprendizado de máquina implementado por robôs autônomos que podem e vão superar os seres
humanos?
Escrito por: Geoffery Ozin
Solar Fuels Group, Universidade de Toronto, Toronto, Ontário, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca, Sites:
www.nanowizard.info, www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com
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