Como você pode usar a ciência para construir uma casa de gengibre melhor?

Miranda Schwacke passou muito tempo refletindo sobre isso. A aluna de pós-graduação do MIT, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE), faz parte do  Kitchen Matters , um grupo de estudantes de pós-graduação que usa alimentos e utensílios de cozinha para explicar conceitos científicos por meio de vídeos curtos e eventos de extensão. Tópicos anteriores incluíram por que o chocolate "enrijece" ou se torna difícil de trabalhar ao derreter (spoiler: entra água) e como fazer isomalte, o copo de açúcar através do qual os dublês pulam em filmes de ação.

Dois anos atrás, quando o grupo estava fazendo um vídeo sobre  como construir uma casa de gengibre estruturalmente sólida , Schwacke vasculhou livros de receitas em busca de uma variável que produziria a diferença mais drástica nos biscoitos.

“Eu estava lendo sobre o que determina a textura dos biscoitos e então experimentei várias receitas na minha cozinha até encontrar duas receitas de pão de gengibre com as quais fiquei satisfeito”, diz Schwacke.

Ela se concentrou na manteiga, que contém água que se transforma em vapor em altas temperaturas de cozimento, criando bolsas de ar nos biscoitos. Schwacke previu que diminuir a quantidade de manteiga resultaria em um pão de gengibre mais denso, forte o suficiente para se manter unido como uma casa.

“Essa hipótese é um exemplo de como a mudança na estrutura pode influenciar as propriedades e o desempenho do material”, disse Schwacke no vídeo de oito minutos.

Essa mesma curiosidade sobre as propriedades e o desempenho dos materiais impulsiona sua pesquisa sobre o alto custo energético da computação, especialmente para inteligência artificial. Schwacke desenvolve novos materiais e dispositivos para computação neuromórfica, que imita o cérebro processando e armazenando informações no mesmo lugar. Ela estuda sinapses iônicas eletroquímicas — pequenos dispositivos que podem ser "ajustados" para ajustar a condutividade, assim como os neurônios fortalecem ou enfraquecem as conexões no cérebro.

“Se você observar a IA em particular — para treinar esses modelos realmente grandes — isso consome muita energia. E se compararmos isso com a quantidade de energia que consumimos como humanos quando estamos aprendendo coisas, o cérebro consome muito menos energia”, diz Schwacke. “Foi isso que levou à ideia de encontrar maneiras mais inspiradas no cérebro e energeticamente eficientes de fazer IA.”

Seu orientador, Bilge Yildiz, ressalta o ponto: um dos motivos pelos quais o cérebro é tão eficiente é que os dados não precisam ser movidos de um lado para o outro.

“No cérebro, as conexões entre nossos neurônios, chamadas sinapses, são onde processamos informações. A transmissão de sinais está lá. Ela é processada, programada e também armazenada no mesmo lugar”, diz Yildiz, Professora Breene M. Kerr (1951) no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear e DMSE. Os dispositivos de Schwacke visam replicar essa eficiência.

Filha de uma bióloga marinha e de um engenheiro eletricista, Schwacke se interessou pela ciência desde muito jovem. A ciência "sempre fez parte da minha compreensão do mundo".

"Eu era obcecada por dinossauros. Queria ser paleontóloga quando crescesse", diz ela. Mas seus interesses se expandiram. Na escola em que estudava, em Charleston, Carolina do Sul, ela participou de uma competição de robótica da FIRST Lego League, construindo robôs para realizar tarefas como empurrar ou puxar objetos. "Meus pais, principalmente meu pai, se envolveram bastante com o time da escola, nos ajudando a projetar e construir nosso pequeno robô para a competição."

Enquanto isso, sua mãe estudava como as populações de golfinhos são afetadas pela poluição para a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA). Isso teve um impacto duradouro.

“Esse foi um exemplo de como a ciência pode ser usada para entender o mundo e também para descobrir como podemos melhorá-lo”, diz Schwacke. “E é isso que eu sempre quis fazer com a ciência.”

Seu interesse pela ciência dos materiais surgiu mais tarde, no programa de mestrado do ensino médio. Lá, ela conheceu a disciplina interdisciplinar, uma mistura de física, química e engenharia que estuda a estrutura e as propriedades dos materiais e usa esse conhecimento para projetar novos.

No último ano, ela participou de um programa de pesquisa com um projeto de tese sobre células solares sensibilizadas por corantes, uma tecnologia solar leve e de baixo custo que usa moléculas de corantes para absorver luz e gerar eletricidade.

“O que me motivou foi realmente entender como passamos da luz para a energia que podemos usar — e também ver como isso poderia nos ajudar a ter mais fontes de energia renováveis”, diz Schwacke.

Depois do ensino médio, ela cruzou o país para estudar na Caltech. "Eu queria experimentar um lugar totalmente novo", diz ela, onde estudou ciência dos materiais, incluindo materiais nanoestruturados milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano. Ela se concentrou nas propriedades e microestrutura dos materiais — a minúscula estrutura interna que rege o comportamento dos materiais —, o que a levou a sistemas eletroquímicos como baterias e células de combustível.

No MIT, ela continuou explorando tecnologias energéticas. Ela conheceu Yildiz durante uma reunião pelo Zoom em seu primeiro ano de pós-graduação, no outono de 2020, quando o campus ainda operava sob os rígidos protocolos da Covid-19. O laboratório de Yildiz estuda como átomos carregados, ou íons, se movem através de materiais em tecnologias como células de combustível, baterias e eletrolisadores.

A pesquisa do laboratório sobre computação inspirada no cérebro estimulou a imaginação de Schwacke, mas ela também se sentiu atraída pela maneira de Yildiz falar sobre ciência.

“Não era baseado em jargões e enfatizava uma compreensão muito básica do que estava acontecendo — que os íons estão indo para cá e os elétrons estão indo para lá — para entender fundamentalmente o que está acontecendo no sistema”, diz Schwacke.

Essa mentalidade moldou sua abordagem à pesquisa. Seus primeiros projetos se concentraram nas propriedades necessárias para que esses dispositivos funcionem bem — operação rápida, baixo consumo de energia e compatibilidade com a tecnologia de semicondutores — e no uso de íons de magnésio em vez de hidrogênio, que pode escapar para o ambiente e tornar os dispositivos instáveis.

Seu projeto atual, foco de sua tese de doutorado, concentra-se em compreender como a inserção de íons de magnésio no óxido de tungstênio, um óxido metálico cujas propriedades elétricas podem ser ajustadas com precisão, altera sua resistência elétrica. Nesses dispositivos, o óxido de tungstênio atua como uma camada de canal, onde a resistência controla a intensidade do sinal, assim como as sinapses regulam os sinais no cérebro.

“Estou tentando entender exatamente como esses dispositivos alteram a condutância do canal”, diz Schwacke.

A pesquisa de Schwacke foi reconhecida com uma bolsa MathWorks da Escola de Engenharia em 2023 e 2024. A bolsa apoia estudantes de pós-graduação que utilizam ferramentas como MATLAB ou Simulink em seu trabalho; Schwacke aplicou o MATLAB para análise e visualização de dados críticos.

Yildiz descreve a pesquisa de Schwacke como um novo passo para resolver um dos maiores desafios da IA.

“Isto é eletroquímica para computação inspirada no cérebro”, diz Yildiz. “É um novo contexto para a eletroquímica, mas também com uma implicação energética, porque o consumo de energia da computação está aumentando de forma insustentável. Precisamos encontrar novas maneiras de fazer computação com muito menos energia, e esta é uma maneira que pode nos ajudar a avançar nessa direção.”

Como qualquer trabalho pioneiro, ele traz desafios, especialmente na conexão dos conceitos entre eletroquímica e física de semicondutores.

“Nosso grupo tem formação em química do estado sólido e, quando iniciamos este trabalho investigando o magnésio, ninguém havia usado magnésio nesse tipo de dispositivo antes”, diz Schwacke. “Então, buscamos inspiração na literatura sobre baterias de magnésio e em diferentes materiais e estratégias que poderíamos usar. Quando comecei, eu não estava apenas aprendendo a linguagem e as normas de uma área — eu estava tentando aprender para duas áreas e também traduzir entre elas.”

Ela também enfrenta um desafio familiar a todos os cientistas: como dar sentido a dados confusos.

“O principal desafio é conseguir pegar meus dados e saber que estou interpretando-os de uma forma correta e que entendo o que eles realmente significam”, diz Schwacke.

Ela supera obstáculos colaborando estreitamente com colegas de diversas áreas, incluindo neurociência e engenharia elétrica, e às vezes apenas fazendo pequenas mudanças em seus experimentos e observando o que acontece a seguir.

Schwacke não atua apenas no laboratório. No Kitchen Matters, ela e seus colegas de pós-graduação do DMSE montaram estandes em eventos locais como a Feira de Ciências de Cambridge e o Steam It Up, um programa extracurricular com atividades práticas para crianças.

“Fizemos 'pHun com Comida' com 'diversão' escrito junto com pH, então usamos suco de repolho como indicador de pH”, diz Schwacke. “Deixamos as crianças testarem o pH do suco de limão, do vinagre e do detergente, e elas se divertiram muito misturando os diferentes líquidos e vendo todas as cores.”

Ela também atuou como presidente social e tesoureira do grupo de estudantes de pós-graduação do DMSE, o Graduate Materials Council. Como estudante de graduação no Caltech, ela ministrou workshops em ciência e tecnologia para a Robogals, um grupo administrado por estudantes que incentiva jovens mulheres a seguir carreiras científicas, e auxiliou estudantes na inscrição para as Bolsas de Pesquisa de Graduação de Verão da instituição.

Para Schwacke, essas experiências aprimoraram sua capacidade de explicar ciência para diferentes públicos, uma habilidade que ela considera essencial, seja ao fazer uma apresentação em uma feira infantil ou em uma conferência de pesquisa.

“Eu sempre penso: de onde meu público está partindo e o que preciso explicar antes de começar a fazer o que estou fazendo para que tudo faça sentido para eles?”, ela diz.

Schwacke considera a capacidade de comunicação essencial para a construção de uma comunidade, o que ela considera uma parte importante da pesquisa. "Ajuda a disseminar ideias. Sempre ajuda a ter uma nova perspectiva sobre o que você está fazendo", diz ela. "Também acho que nos mantém sãs durante o doutorado."

Yildiz vê o envolvimento comunitário de Schwacke como uma parte importante de seu currículo. "Ela realiza todas essas atividades para motivar a comunidade em geral a pesquisar, a se interessar por ciência, a se dedicar à ciência e à tecnologia, mas essa habilidade também a ajudará a progredir em suas próprias pesquisas e em seus empreendimentos acadêmicos."

Após concluir seu doutorado, Schwacke quer levar essa capacidade de comunicação para o meio acadêmico, onde gostaria de inspirar a próxima geração de cientistas e engenheiros. Yildiz não tem dúvidas de que ela prosperará.

“Acho que ela é perfeita”, diz Yildiz. “Ela é brilhante, mas brilhantismo por si só não basta. Ela é persistente e resiliente. E você realmente precisa de tudo isso além disso.”