Sem um mapa, pode ser praticamente impossível saber não apenas onde você está, mas para onde está indo, e isso é especialmente verdadeiro quando se trata de propriedades de materiais.

Durante décadas, os cientistas compreenderam que, embora os materiais a granel se comportem de determinadas maneiras, essas regras podem falhar para os materiais nas escalas micro e nano, e muitas vezes de formas surpreendentes. Uma dessas surpresas foi a descoberta de que, para alguns materiais, a aplicação de deformações mesmo modestas - um conceito conhecido como engenharia de deformação elástica - nos materiais pode melhorar drasticamente certas propriedades, desde que essas deformações permaneçam elásticas e não relaxem por plasticidade, fratura ou transformações de fase. Materiais em escala micro e nano são especialmente bons para reter deformações aplicadas na forma elástica.

Precisamente como aplicar essas deformações elásticas (ou equivalentemente, tensão residual) para alcançar certas propriedades do material, no entanto, era menos claro – até recentemente.

Usando uma combinação de cálculos de primeiros princípios e aprendizado de máquina, uma equipe de pesquisadores do MIT desenvolveu o primeiro mapa de como ajustar materiais cristalinos para produzir propriedades térmicas e eletrônicas específicas.

Liderada por  Ju Li , professor de Engenharia Nuclear da Battelle Energy Alliance e professor de ciência e engenharia de materiais, a equipe descreveu uma estrutura para entender precisamente como a mudança nas deformações elásticas de um material pode ajustar propriedades como condutividade térmica e elétrica. O trabalho está descrito em artigo de acesso aberto publicado na  PNAS.

“Pela primeira vez, usando aprendizado de máquina, fomos capazes de delinear o limite hexadimensional completo da resistência ideal, que é o limite superior para a engenharia de deformação elástica, e criar um mapa para essas propriedades eletrônicas e fonônicas”, Li diz. “Agora podemos usar essa abordagem para explorar muitos outros materiais. Tradicionalmente, as pessoas criam novos materiais alterando a química.”

“Por exemplo, com uma liga ternária, você pode alterar a porcentagem de dois elementos, então você tem dois graus de liberdade”, continua ele. “O que mostramos é que o diamante, com apenas um elemento, é equivalente a uma liga de seis componentes, porque você tem seis graus de liberdade de deformação elástica que pode ajustar de forma independente.”

O artigo se baseia em bases estabelecidas já na década de 1980, quando os pesquisadores descobriram pela primeira vez que o desempenho dos materiais semicondutores dobrava quando uma pequena deformação elástica – apenas 1% – era aplicada ao material.

Embora essa descoberta tenha sido rapidamente comercializada pela indústria de semicondutores e hoje seja usada para aumentar o desempenho de microchips em tudo, desde laptops a celulares, esse nível de tensão é muito pequeno comparado ao que podemos alcançar agora, diz Subra Suresh, professor de Vannevar Bush. de Engenharia Emérito.

Num  artigo científico de 2018  , Suresh, Dao e colegas demonstraram que a tensão de 1% era apenas a ponta do iceberg.

Como parte de um estudo de 2018, Suresh e colegas demonstraram pela primeira vez que as nanoagulhas de diamante poderiam suportar tensões elásticas de até 9% e ainda assim retornar ao seu estado original. Mais tarde, vários grupos confirmaram independentemente que o diamante em microescala pode de fato deformar-se elasticamente em aproximadamente 7% em tensão reversivelmente.

“Depois que mostramos que podíamos dobrar diamantes em nanoescala e criar deformações da ordem de 9 ou 10 por cento, a questão era: o que fazer com isso”, diz Suresh. “Acontece que o diamante é um material semicondutor muito bom… e uma de nossas perguntas era: se pudermos deformar mecanicamente o diamante, poderemos reduzir o intervalo de banda de 5,6 elétron-volts para dois ou três? Ou podemos reduzi-lo até zero, onde começa a conduzir como um metal?”

Para responder a essas perguntas, a equipe recorreu primeiro ao aprendizado de máquina, em um esforço para obter uma imagem mais precisa de como a deformação alterava exatamente as propriedades do material.

“A tensão é um grande espaço”, explica Li. “Você pode ter deformação por tração, pode ter deformação por cisalhamento em múltiplas direções, então é um espaço de seis dimensões, e a banda de fônons é tridimensional, então no total há nove parâmetros ajustáveis. Então, estamos usando o aprendizado de máquina, pela primeira vez, para criar um mapa completo para navegar pelas propriedades eletrônicas e fonônicas e identificar os limites.”

Munida desse mapa, a equipe demonstrou posteriormente como a deformação poderia ser usada para alterar drasticamente as propriedades semicondutoras do diamante.

“O diamante é como o Monte Everest dos materiais eletrônicos”, diz Li, “porque tem uma condutividade térmica muito alta, resistências de ruptura dielétrica muito altas e uma mobilidade de portador muito grande. O que mostramos é que podemos esmagar o Monte Everest de maneira controlada... então mostramos que através da engenharia de deformação você pode melhorar a condutividade térmica do diamante por um fator de dois ou piorá-la por um fator de 20.”

No futuro, as descobertas poderão ser usadas para explorar uma série de propriedades de materiais exóticos, diz Li, desde a redução drástica da condutividade térmica até a supercondutividade.

“Experimentalmente, essas propriedades já são acessíveis com nanoagulhas e até micropontes”, afirma. “E vimos propriedades exóticas, como a redução da (condutividade térmica) do diamante para apenas algumas centenas de watts por metro-Kelvin. Recentemente, as pessoas demonstraram que é possível produzir supercondutores à temperatura ambiente com hidretos se os comprimirmos para algumas centenas de gigapascals, por isso descobrimos todos os tipos de comportamento exótico assim que tivermos o mapa.”

Os resultados também podem influenciar o design de chips de computador de próxima geração, capazes de funcionar de forma muito mais rápida e mais fria do que os processadores atuais, bem como sensores quânticos e dispositivos de comunicação. À medida que a indústria de fabricação de semicondutores avança para arquiteturas cada vez mais densas, Suresh diz que a capacidade de ajustar a condutividade térmica de um material será particularmente importante para a dissipação de calor.

Embora o artigo possa informar o design de futuras gerações de microchips, Zhe Shi, pós-doutorando no laboratório de Li e primeiro autor do artigo, diz que mais trabalho será necessário antes que esses chips cheguem ao laptop ou celular comum.

“Sabemos que a tensão de 1 por cento pode proporcionar um aumento de ordem de magnitude na velocidade do clock da sua CPU”, diz Shi. “Há muitos problemas de fabricação e de dispositivos que precisam ser resolvidos para que isso se torne realista, mas acho que é definitivamente um ótimo começo. É um começo emocionante para o que poderia levar a avanços significativos na tecnologia.”

Este trabalho foi apoiado com financiamento da Agência de Redução de Ameaças de Defesa, uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da NSF, a Escola de Ciências Biológicas da Universidade Tecnológica de Nanyang, a National Science Foundation (NSF), a cátedra Vannevar Bush do MIT e uma cátedra distinta da Universidade Tecnológica de Nanyang.