PROPONENTE: Adalberto Fazzio
FORMAÇÃO/TITULAÇÃO: Doutorado em Física, Universidade de São Paulo, 1975-1978
INSTITUIÇÃO VÍNCULO: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais – CNPEM, Brasil
CHAMADA: 58/2022 – PROGRAMA INSTITUTOS NACIONAIS DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – INCT
COMITÊ: 42 – Programa Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia
ÁREA: Física da Matéria Condensada
INÍCIO: 12/12/2022
DURAÇÃO: 60 meses
PALAVRAS CHAVE (em português):
Dinâmica Molecular Clássica; Aprendizado de Máquina; Materiais Estratégicos; Teoria do Funcional da Densidade; Informática de Materiais
PALAVRAS CHAVE (em inglês):
Classical Molecular Dynamics; Materials Informatics; Strategic Materials; Machine Learning; Density Functional Theory
RESUMO
A habilidade de manusear e sintetizar materiais é de importância para o desenvolvimento de civilizações, a ponto de marcar eras da humanidade, como a idade da pedra, do cobre, do bronze e do ferro. Tais divisões ocorrem por conta da vantagem estratégica do domínio de materiais, tanto para infraestrutura como para aplicações de defesa.
No momento que uma civilização domina um material significativamente superior, ela tem avanços estratégicos, sendo que cada nova era é sucedida por uma revolução econômica.
Fica claro então que o domínio de novos materiais torna-se crucial para melhorar e manter civilizações, sendo por conta de tornar viável a infraestrutura para populações crescentes, sua defesa e para promover avanços econômicos. A forma de descobrir novos materiais foi revolucionada recentemente pelo programa Materials Genome Initiative, (EUA, 2011).
Percebeu-se que a utilização de técnicas de big data, alidadas a simulação computacional,
reduzem consideravelmente o custo destes processos. Tais iniciativas criaram a área de pesquisa hoje chamada de Materials Informatics com avanços fundamentais relacionados a big data e inteligência artificial, intimamente relacionados à computação de alto desempenho.
Tendo isto em mente, este INCT Materiais Informatics visa consolidar a comunidade científica nacional de simulações de materiais para a utilização das técnicas para a descoberta de novos materiais estratégicos, com objetivo de transferência de conhecimento para o setor produtivo e sociedade.
Para isso serão formados recursos humanos altamente treinados, por meio colaborações, eventos e tutoriais. Também será fomentada a colaboração internacional com projetos já bem sucedidos em Materials Informatics.
Assim, o Brasil poderá utilizar de maneira organizada os novos recursos computacionais em iminência de aquisição, consolidando-se no cenário internacional da descoberta de materiais.
OBJETIVO GERAL
O objeto desta proposta é a descoberta de novos materiais.
Sabemos que, desde a Idade da Pedra, avanços tecnológicos foram impulsionados por descobertas de novos materiais. Bronze, aço, polímeros sintéticos e silício dopado são exemplos de materiais responsáveis por grandes transformações da humanidade.
A forma de descobrir novos materiais foi revolucionada recentemente pelo programa Materials Genome Initiative, (EUA, 2011). Percebeu-se que a utilização de técnicas de big data, alidadas a simulação computacional, reduzem consideravelmente o custo destes processos. Tais iniciativas criaram a área de pesquisa hoje chamada de Informática de Materiais com avanços fundamentais
relacionados a big data e inteligência artificial, intimamente relacionados à computação de alto desempenho.
Há uma variedade de possíveis materiais a serem estudados, como: termoelétricos, magnéticos, para geração e armazenamento de energia, bidimensionais, sistemas mais complexos como isolantes topológicos e para spintrônica. Tais materiais podem ser aplicados para inúmeros dispositivos relacionados à tecnologia da informação, a aplicações estruturais, vidros e polímeros.
O objetivo desta proposta é treinar os recursos humanos e desenvolver pesquisas na fronteira do conhecimento na área de Materials Informatics. Para tal serão desenvolvidos diversos subprojetos para desenhar novos materiais com propriedades desejadas, que respondam questões científicas fundamentais, propor novos dispositivos eletrônicos, produzir materiais com propriedades estruturais e eletrônicas que possam ser utilizados em aplicações industriais no setor produtivo.
Se propõe que, um novo paradigma no desenvolvimento de materiais seja introduzido no Brasil, com um novo conjunto de ferramentas e recursos humanos bem treinados. Planejamos apresentar ao setor produtivo brasileiro um caminho para o aumento da eficiência no desenvolvimento de novos produtos e assim avançar a indústria nacional em diversas áreas tecnológicas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Descoberta de novos materiais de interesse estratégico com transferência de conhecimento
para a indústria nacional.
Missão: Transferência de Conhecimento para o Setor empresarial e/ou para o Setor Público.
2. Descoberta de novos materiais com propriedades avançadas incluindo isolantes topológicos,
materiais magnéticos, para geração e conversão de energia, etc.
Missão: Pesquisa.
3. Realização de eventos ou tutoriais em técnicas de Machine Learning, High throughput
calculations e informática de materiais.
Missão: Formação de Recursos Humanos.
4. Realização de atividade de extensão e popularização da ciência por meio de oficinas de
programação na área de inteligência artificial e aprendizado de máquina.
Missão: Divulgação científica e popularização da ciência.
5. Criação do site do INCT, com informações sobre a equipe, eventos organizados pelo INCT,
eventos da área e tutoriais sobre informática de materiais com enfoque principal de
transferência de conhecimento e divulgação científica.
Missão: Divulgação científica e popularização da ciência.
6. Apresentação de resultados em eventos internacionais como palestrantes e publicação de
artigos em revistas de alto impacto.
Missão: Pesquisa.
7. Formalização de parcerias internacionais para o desenvolvimento de pesquisas conjuntas e
compartilhamento/treinamento de pesquisadores e alunos.
Missão: Internacionalização.
8. Desenvolvimento de novas metodologias para tratamento de grandes quantidades de
materiais incluindo métodos de data mining, machine learning e scripts de cálculos do tipo
high throughput.
Missão: Pesquisa.
9. Criação de um repositório (banco de dados) nacional de materiais nos moldes do feito
internacionalmente como o Materials Project.
Missão: Transferência de Conhecimentos para a Sociedade.
METAS
1. Identificação de parceiros empresariais que possuem demanda por novos materiais e
compreensão de suas demandas.
2. Criação do site do INCT com informações da equipe eventos e tutoriais de informática de
materiais.
3. Publicação de artigos em periódicos internacionais revisados por pares de alto impacto e
palestras convidadas em eventos internacionais.
4. Criação do banco de dados/repositório nacional de materiais.
5. Fomentar a mobilidade acadêmica internacional do grupo através da vinda de
pesquisadores visitantes internacionais e do envio de pesquisadores e alunos para
grupos internacionais.
6. Organização de eventos e tutoriais.
7. Desenvolvimento de novos algoritmos e metodologias para a área de informática de
materiais.
8. Busca de resultados de grupos experimentais brasileiros que poderiam se beneficiar das
metodologias desenvolvidas priorizando materiais e inclusive biologia.
PROPOSTA
RESULTADOS CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOS JÁ OBTIDOS PELAS INSTITUIÇÕES QUE COMPÕEM O
INCT, NA TEMÁTICA DA PROPOSTA
O levantamento bibliográfico da produção da equipe mostra que, desde o ano de 2017 até o momento, foram publicados 535 artigos em periódicos internacionais, 4 livros, 23 capítulos de livros e 142 apresentações de trabalhos.
Dos artigos publicados, há mais de 150 no extrato A1 e mais de 220 no extrato A2, ou seja, a grande maioria dos artigos são de alta qualidade. Também, a equipe concluiu a supervisão de 26 pós-doutorados, 39 doutorados, 35 mestrados e 104 iniciações científicas.
Ainda, atualmente a equipe tem em andamento a supervisão de 19 pós-dourados, 33 doutorados, 27 mestrados e 35 iniciações científicas. Os membros da equipe organizaram 127 eventos desde 2017 e
receberam 15 diferentes prêmios. Entre os membros da equipe há 19 bolsistas de produtividade do CNPq, sendo 3 nível 1A, 1 nível 1B, 2 nível 1C, 3 nível 1D e 10 nível 2.
Portanto, a equipe é altamente produtiva, com uma média de 99 publicações anuais e com alta capacidade de formação de recursos humanos. Cabe aqui reforçar que o grupo publica artigos com frequência em algumas das mais prestigiosas revistas científicas da área, incluindo o Physical Review Letters, JACS, Nano Letters, ACS Nano, Matter, Materials Today, entre outras.
Destaque deve ser dado também para o fato de que doutorandos orientados pela equipe receberam, mais de uma vez, o Prêmio CAPES de tese. Entre os membros da equipe também estão os organizadores da Machine Learning School for Materials @Ilum, o primeiro evento nacional para
agregar a comunidade científica da área de materiais com foco em aprendizado de máquina. O evento ocorreu nos dias 5, 6 e 7 de setembro, tendo mais de 900 inscritos ao total. Isso mostra o alto interesse da comunidade científica sobre o tema, pois a quantidade de participantes está perto de grandes encontros científicos nacionais.
Destaque também para que há vários participantes inscritos que são cientistas experimentais
ou oriundos do setor produtivo, mostrando o grande potencial de interação colaborativa e sinergia.
MODELO DE GESTÃO E GOVERNANÇA PARA O INCT
A estrutura de gestão do INCT InfMat contará com um coordenador geral, um vice-coordenador e um comitê gestor. O coordenador geral será responsável pela articulação científica geral do projeto, buscando sinergias entre as áreas de atuação dos participantes e incentivando a atuação colaborativa.
O coordenador geral também será responsável pelo gerenciamento dos recursos disponíveis. O vice-coordenador apoiará as ações desenvolvidas pelo coordenador e também será responsável pelas ações de divulgação científica, organização dos eventos do INCT e articulação de relações externas com o setor produtivo e com centros de supercomputação.
O comitê gestor será formado por cinco membros, incluindo os coordenadores, sendo responsável pela avaliação da performance do projeto, verificação de atendimento das metas e deliberação sobre a distribuição das bolsas disponíveis.
O projeto contará com o apoio administrativo da equipe de técnicos administrativos do CNPEM.
Além disso, anualmente será realizado um encontro com todos os membros da proposta e seus respectivos alunos e pós-docs.
Durante este evento, serão apresentados os resultados obtidos por cada colaborador com foco para as ações colaborativas entre os membros.
Mais importanta, uma comissão externa formada por pesquisadores renomados e por representante do CNPq serão convidados a avaliar o andamento do projeto.
GRAU DE INOVAÇÃO E POTENCIAL DE IMPACTO DOS RESULTADOS SOB O PONTO DE VISTA
CIENTÍFICO, TECNOLÓGICO, ECONÔMICO E SOCIOAMBIETAL NO CONTEXTO NACIONAL E
INTERNACIONAL.
A ciência brasileira já atingiu um patamar de excelência no que se refere ao estudo, manufatura e aplicação de materiais. Esse grau de excelência pode ser rapidamente aferido citando projetos recentes na área, como o SisNano, o SibratecNano e a existência de INCTs e CEPIDs na área.
Também há diversas instituições de destaque focadas nessa área, incluindo o CNPEM, unidades EMBRAPII, IPT, DEMA, a CTDN entre outras. Ao mesmo tempo o Brasil possui empresas líderes no mercado que operam na froteira do conhecimento, buscando sempre novos mateariais para incorporar a seus produtos.
Para manter a liderança nacional no setor é fundamental que se persigam tendências internacionais, e pelo exposto neste projeto fica evidente que a área de Informática de Materiais possui claro potencial de acelerar e baratear o desenvolvimento de novos materiais, criando sinergias com áreas do conhecimento como Física, Química e Computação, e com potencial real de gerar riqueza e desenvolvimento.
Dentre os possíveis impactos deste projeto podemos citar:
(i) a possibilidade de redução de custo e tempo de desenvolvimento tecnológico de novos materiais, uma vez que é possível reduzir o volume de atividades experimentais durante o processo de desenvolvimento;
(ii) a potencialidade de reduzir/substituir métodos tradicionais in vivo, que utilizam animais e necessitam de aprovação de comitês de ética ou similares;
(iii) a possibilidade de projetar, modular e/ou agregar propriedades dos materiais, direcionando-o para aplicações tecnológicas específicas.
Entre os resultados práticos esperados pela proposta, para além da publicação de artigos científicos de alta qualidade, destacamos:
(i) A criação e funcionamento de uma rede destinada a aprimorar e acelerar o desenvolvimento tecnológico e a inovação dirigida a uma nova geração de redes abertas e colaborativas de cultura empresarial objetivando a criação de valor em novas aplicações, serviços, processos e produtos empregando materiais avançados;
(ii) A articulação dos principais atores científicos, tecnológicos, de inovação e empresas atuando no desenvolvimento tecnológico de materiais avançados;
(iii) O aumento da massa crítica nacional (capital humano) e da base se conhecimento técnico-científico na interface entre as áreas de materiais avançados e tecnologias digitais;
(iv) O fortalecimento do ecossistema de PD&I na interface entre as áreas de materiais avançados e tecnologias digitais, em especial, o fortalecimento das cadeias produtivas nacionais e das competências técnicocientíficas;
(v) O aumento no número de projetos de PD&I na interface entre as áreas de materiais avançados e tecnologias digitais, desenvolvidos em parceria entre as ICTs e o setor produtivo;
(vi) A geração de novos produtos, empregos, processos, serviços e negócios de base tecnológica, apoiados por materiais avançados, de alto valor agregado, provenientes da pesquisa, desenvolvimento e inovação (PD&I) nesta temática;
(vii) O desenvolvimento e introdução de produtos diferenciados pela aplicação de materiais avançados no mercado nacional e internacional; e
(viii) A difusão e popularização dos conceitos, do conhecimento e das ferramentas na interface entre as áreas de materiais avançados e tecnologias digitais, por meio workshops, cursos de capacitação,
material didático, ações de extensão e outros.
PLANO DE DIVULGAÇÃO CIENTÍFICA.
O plano de divulgação científica do INCT terá duas vertentes principais: a disseminação do conhecimento científico produzido pela equipe de pesquisadores; e a popularização e facilitação ao acesso e treinamento dos códigos inerentes ao setor.
As atividades de disseminação do conhecimento serão baseadas em produtos de mídia social e organização e participação em eventos. A mídia social é uma ferramenta poderosa para a disseminação rápida e fonte frequente de informação ao público.
Assim, criaremos canais de comunicação nas principais redes sociais: YouTube, Instagram e Facebook, além da página Wikipedia do projeto. Cada um desses canais atinge um público diferente, e os
conteúdos produzidos em vídeo, entrevistas, textos ou gráficos serão pensados para atender melhor a esse público.
As ações de popularização e acesso incluirão a realização periódica de escolas relacionadas à área, em moldes semelhantes à Escola ILUM realizada em Setembro/2022.
Serão criados tutoriais incluindo vídeos gravados, jupyter notebooks e textos, que focarão as principais ferramentas utilizadas pela equipe, incluindo cálculos high throughput, simulações de aprendizado de máquina, simulações de primeiros princípio, datamining em bancos de dados e outros.
As ações de divulgação científicas serão lideradas pelo vice-coordenador, e também há expectativa
de dedicar bolsas de extensão em diferentes níveis para apoiar essas atividades.
CONTEXTOS METODOLÓGICOS.
A informática de materiais é uma área emergente, que começou a ter evidência em meados da década passada. Esta área consiste na união de simulações computacionais de materiais com algoritmos de automatização, para tornar possível a triagem de vastas quantidades de materiais. Assim, é possível escolher uma propriedade alvo e testar o maior número de estruturas que os recursos computacionais permitirem, para otimizá-la.
Como já há um grande número de bases de dados disponíveis, com centenas de milhares de materiais experimentais ou simulados, é possível partir de uma análise de tais bases, filtrando as ocorrências de interesse, para obter-se o conjunto de simulações iniciais.
Ao mesmo tempo, em algumas áreas de pesquisa, não há bases de dados estruturadas. Neste casos existem dois caminhos igualmente importantes. No primeiro, o uso de processamento de linguagem natural torna-se importante. Esta técnica consiste na ideia de que a base não existe, mas diversos materiais já foram sintetizados ou estudados teoricamente pela comunidade científica e estão distribuídos em publicações. Neste caso, o objetivo é obter o maior número possível de artigos da área de interesse, convertê-los para um formato interpretável por um algoritmo, que utiliza então técnicas de aprendizado de máquina para o processamento do texto, extraindo as informações relevantes. Isso
torna viável, em princípio, a varredura de toda a literatura, algo humanamente impossível de ser realizado sem métodos computacionais.
Com a triagem e as simulações realizadas, é possível alimentar um algoritmo de aprendizado de máquina, o qual pode apontar quais seriam as características que levam a obtenção das propriedades de interesse. A segunda solução é a construção de novas bases de dados que englobem materiais e/ou propriedades ainda não contidos nas bases atuais. Este ponto é fundamental, pois coloca o Brasil como uma fonte de informação, tornado-o um hub mundial na área de materiais.
A obtenção de candidatos com propriedades desejadas é apenas o primeiro passo. O desenho de novos materiais passa então pela identificação de descritores fundamentais que permitam realizar predições de novos materiais. Uma extrapolação pode ser realizada, dando sugestões de novos materiais a serem simulados, para otimizar as propriedades em questão, inclusive envolvendo materiais ainda não
conhecidos.
A equipe envolvida nesta proposta tem habilidades em variadas técnicas de simulação computacional de materiais, desde métodos de mecânica quântica até elementos finitos, além de já aplicarem a informática de materiais em diferentes contextos. Portanto, os diferentes materiais serão estudados com uma abordagem multinível e multiescala.
Será multinível, pois serão utilizadas diferentes bases teóricas (mecânica quântica, mecânica clássica, etc.), descrevendo propriedades de uma variedade de sistemas. Será multi-escala, pois os sistemas
serão descritos em diferentes escalas espaciais e temporais.
Na prática, utiliza-se a mecânica quântica para elucidar propriedades eletrônicas, geométricas e mecânicas dos sistemas; já metodologias clássicas trazem informações em escala nanométrica e em intervalos de tempo maiores. Em linhas gerais serão apresentadas as principais metodologias computacionais que serão empregadas para o desenvolvimento do projeto.
Partindo das técnicas quânticas, uma das mais bem estabelecidas metodologias é a teoria do funcional de densidade (DFT). Nesta metodologia, as propriedades do sistema são obtidas a partir das leis da mecânica quântica, portanto, equivalente à solução da equação de Schrödinger, porém para a densidade eletrônica. Em geral, os métodos de DFT são de primeiros princípios, ou seja, não necessitam de dados empíricos sobre os materiais. Com isso, além de simular materiais conhecidos, é possível determinar propriedades de materiais nunca sintetizados, bem como estudar sua estabilidade, propondo novos materiais para a síntese experimental.
Para descrever processos dinâmicos, pode-se empregar a dinâmica molecular quântica, utilizando-se também da DFT. Assim, a evolução temporal da posição dos átomos é considerada, tornando a metodologia bastante completa, pois pode ser aplicada em vários contextos, mesmo sem se conhecer os materiais. Sua limitação está justamente na demanda computacional: geralmente são simulações custosas, sendo que os sistemas não podem ter dimensões muito maiores do que dezenas de Angstrons, bem como intervalos de tempo na ordem de picosegundos. Ou seja, processos que ocorrem mais lentamente, ou que envolvem longo alcance, não são observados por essa metodologia.
Como alternativa à dinâmica quântica, pode ser empregada a dinâmica molecular clássica (MD). Analogamente à quântica, a MD clássica também obtém a evolução temporal, porém, para descrever as interações entre os átomos, usa campos de força parametrizados. Uma vez que não é necessário lidar com a descrição eletrônica, os cálculos tornam-se ordens de grandeza mais baratos computacionalmente.
Com esta metodologia é possível descrever sistemas de ordem nanométrica, como meios líquidos, gasosos e/ou sólidos. Além disso, é possível simulações com tempos na ordem de centenas de nanosegundos. É, portanto, um ganho em escala com as técnicas previamente apresentadas. Porém, sua limitação é que não são consideradas quebra/formação de ligações químicas. No entanto, esta limitação vem sendo atacada.
Existem novas metodologias capazes de descrever classicamente as ligações químicas, os chamados campos de força reativos. Tais campos de forças conseguem modelar interações entres pares atômicos em função da ordem de ligação, um dos mais adotados na literatura o ReaxFF (do inglês Reactive Force Field). Essa família de campos de força permite descrever a quebra/formação de ligações químicas sem o uso da mecânica quântica.
Em linhas gerais, é possível modelar sistemas de magnitude próximas a das simulações de MD clássica, com descrição de quebra e formação de ligações químicas, unindo o melhor de ambas metodologias. Porém, o desafio desses tipos de campos de força é a parametrização necessária para se chegar a um campo de força. É necessária uma grande base de dados das mais variadas formas moleculares, sólidas ou em fluidos dos átomos de interesse.
Logo, a construção de bases de dados de resultados quânticos torna-se especialmente importante neste caso. Com um grande conjunto de simulações realizadas é possível treinarmos modelos de aprendizado de máquina. Esses modelos podem ser aplicados para o desenvolvimento de novos potenciais clássicos, predizer propriedades de materiais, ou ainda, apontar novos materiais a
serem simulados que tem potencial de melhoria de propriedades alvo.
Para tal, diferentes abordagens podem ser aplicadas, como métodos de classificação (SVM, nearest neighbors, random forest, etc), regressão (lasso, elastic-net, stochastic gradient Descent, decision trees, etc), clusterização, redução de dimensionalidade e mais.
Além disso, a utilização de redes neurais vem ganhando mais espaço na informática de materiais, pois com elas é possível também realizar classificações e regressões, com uma grande variedade de métodos, como, multilayer perceptron, redes neurais convolucionais, redes neurais recorrentes, redes neurais feed-foward, entre outros, além de poderem ser usadas de maneira combinada.
Além das metodologias descritas acima, a equipe do projeto possui experiência na utilização de outras metodologias teóricas oriundas da área de Física da Matéria Condensada, incluindo Hamiltonianos modelo, métodos para estados excitados, métodos de monte carlo quântico, etc.
Essas metodologias preenchem as lacunas para o profundo entendimento das propriedades dos materiais que serão estudados.
DISPONIBILIDADE E INFRAESTRUTURA
No Brasil já existem laboratórios nacionais que dão acesso a computação de alto desempenho de forma gratuita. O LNCC possui o maior supercomputador do hemisfério sul, o Santos Dumont. Tal máquina possui mais de 36 mil cores de processamento, onde grande parte dos pesquisadores envolvidos já possuem projetos em curso.
Além disso há também o CENAPAD-SP que conta com 8320 cores, o CENADAP-UFC com 576 cores, CENAPAD-RJ com 2232 cores, o CENAPAD-RS com 768 cores, o NACAD-RJ com 6048 cores, o CENAPAD-MG com 424 cores, entre outros.
As instituições participantes desta proposta também possuem centros computacionais locais. O IF-USP/SAMPA, possui um cluster com 32 nós de processamento totalizando 1760 cores. A UFABC possui um cluster com 40 nós computacionais, um total de 2560 cores, além de estar implementando um novo projeto FINEP com recursos para expansão da infraestrutura computacional, além de contar com bolsistas de apoio técnico.
O CNPEM, possui também clusters totalizando 704 cores, com alta capacidade de armazenamento. A UNESP possui máquinas com 3392 cores e 11 Tb de RAM. A UFPA dispõe de um HPC com 868 cores e 3.3 Tb de RAM. Na UFMG há disponibilidade de uma máquina com 736 cores e 1.8 Tb de RAM. Na UFF de Volta Redonda, há clusters com um total de 264 cores.
Na UFPR já disponibilidade de máquinas com um total de 180 cores e 800 Gb de RAM. Além da infraestrutura mencionada, é fundamental citar que há uma chamada para propostas aberta por convênio FAPESP, MCTI, MCom e CGI.br para centros de computação de alto desempenho da. Tal chamada apoiará quatro centros computacionais, cada um com orçamento de 25 milhões de reais. Esta chamada, assim que implementada, elevará o patamar nacional de computação de alta performance, podendo levar a infraestrutura de computação de alta performance nacional para algo da ordem de 100 mil cores disponíveis, mais do que o dobro do disponível atualmente.
Como se tratam de equipamentos novos, a capacidade computacional aumentará mais do que o dobro: em uma medida conservadora prevemos um incremento de 3 a 4 vezes no poder de processamento se considerar a adoção de tecnologias como GPUs, esses números podem ser ainda maiores. Essa iniciativa tornará possível que as pesquisas em informática de materiais realizem simulações de milhares de diferentes materiais em vários níveis metodológicos.
Com isso torna-se crucial a formação do INCT de Informática de Materiais para coordenar os esforços em nível nacional, evitando que diferentes pesquisadores realizem o mesmo tipo de trabalho, unindo esforços ao invés de pulverizá-los. Ao mesmo tempo, fica claro que é preciso qualificar a demanda para o uso dessas novas infraestruturas que estarão em breve disponíveis. Mais informações sobre a chamada estão em https://fapesp.br/8388.
O CNPEM conta com duas áreas criadas para prover suporte aos pesquisadores formalmente vinculados ao CNPEM e as pesquisas desenvolvidas no centro. A Assessoria de apoio à inovação (AIN), vinculada a Diretoria-Geral, articula as atividades de estímulo à interação com o setor empresarial com o apoio de equipe qualificada para a prospecção e negociação de projetos, contratação e proteção da propriedade intelectual, elaboração e submissão de projetos institucionais, acompanhamento físico e financeiro dos convênios institucionais.
A Área de Convênios e Projetos (CVP) vinculada à Diretoria de Administração (DA) do Centro, tem por objetivo institucional a articulação das atividades de estímulo à interação com as áreas não diretamente vinculadas ao setor empresarial, incluindo institutos de pesquisa, universidades e instituições de fomento.
O CVP é o agente atuante na interação com as fontes financiadoras, alinhando as exigências legais e de negócio, facilitando, assim, a elaboração e submissão de projetos institucionais, a contratação de convênios na área de P&D e auxílios individuais, o acompanhamento físico, a gestão financeira, organização documental, elaboração de prestação de contas e atendimento a auditorias.
As duas equipes reúnem um total de 14 colaboradores dedicados às atividades de suporte aos pesquisadores, atendendo a 100% dos projetos institucionais e a mais de 95% dos auxílios individuais executados no CNPEM. O suporte a auxílios individuais é facultativo aos pesquisadores beneficiados, e compreende principalmente a intermediação em caso de consultas e esclarecimentos de dúvidas, liberação de recursos, organização de documentos financeiros, elaboração de prestação de contas e submissão de relatórios.
Adicionalmente, outras atividades administrativas relacionadas aos projetos são atendidas pelas áreas de Suprimentos Internacionais e Nacionais (SIN), responsável pelas aquisições de materiais e serviços, Serviço de Apoio a Usuários (SAU), com a aquisição de passagens aéreas e outras despesas de viagem, e
pela Controladoria (CTR), que formaliza a incorporação de material permanente adquirido com recursos de projetos ao patrimônio da instituição.
Dessa forma, as atividades realizadas pelas áreas administrativas do CNPEM auxiliam os pesquisadores na gestão e administração dos projetos de pesquisa, permitindo que estes se dediquem prioritariamente à pesquisa científica e orientação de alunos.
QUALIFICAÇÃO DO PROBLEMA SOB O PONTO DE VISTA CIENTÍFICO, TECNOLÓGICO E DE INOVAÇÃO
A habilidade de manusear e sintetizar materiais é de importância para o desenvolvimento de civilizações, a ponto de marcar eras da humanidade, como as conhecidas idades da pedra, do cobre, do bronze, do ferro. Tais divisões ocorrem por conta da vantagem estratégica do domínio de materiais, tanto para infraestrutura como para aplicações de defesa.
No momento que uma civilização domina um material significativamente superior, ela tem avanços estratégicos, sendo que cada nova era é sucedida por uma revolução econômica. Neste sentido,
mais recentemente também ocorreram descobertas de insumos relacionados a materiais que modificaram a humanidade, como o aço, o alumínio, o vidro, o concreto, o plástico, petróleo, entre outros. Esses materiais trouxeram ganhos para a qualidade de vida em geral; ao mesmo tempo trouxeram problemas como os resíduos gerados por plásticos, ou poluição gerada por combustão.
Fica claro então que o domínio de novos materiais torna-se crucial para melhorar e manter civilizações, sendo por conta de tornar viável a infraestrutura para populações crescentes, para tornar possível sua defesa e para promover avanços econômicos.
Um dos primeiros exemplos da triagem sistemática de materiais foi a descoberta de um material barato e durável para lâmpadas no final do século XIX, por Thomas Edison. Ele contava com dezenas de cientistas em seu laboratório, onde foram testados mais de dez mil diferentes combinações de materiais, até chegar em uma combinação viável para a construção da lâmpada.
Porém, tamanho esforço tem um enorme custo financeiro de ser realizado experimentalmente, tanto do ponto de vista de insumos e equipamentos como de equipe necessária. Tais custos podem ser minimizados graças aos estudos computacionais de novos materiais. Para isso utiliza-se as leis que governam o comportamento dos átomos, moléculas e fases condensadas para obter novos materiais a partir de simulações computacionais.
Tal abordagem permite uma triagem prévia dos materiais, sem a realização de experimentos. O desenvolvimento de métodos robustos baseados na mecânica quântica e na mecânica clássica levou ao estudo de milhares de materiais ao longo das últimas décadas.
Recentemente, um grande passo foi dado na direção de aumentar o poder preditivo dessas metodologias, empregando técnicas de aprendizado de máquina. Com essas abordagens computacionais combinadas, os materiais mais promissores poderão ser propostos para síntese experimental, acelerando o processo de descoberta e o tornando mais acessível.
Esse conjunto de métodos e ferramentas, bem como os estudos relacionados a este contexto de descoberta de materiais, levaram à criação de uma nova área de pesquisa que é conhecida hoje como Informática de Materiais.
Devido à ciência intensiva de dados, as descobertas em materiais estão sofrendo uma mudança de paradigma, com uma maior sinergia entre experimentos e simulações. O status quo era simular alguns materiais de interesse a fim de entender melhor suas propriedades, o que produziu grandes avanços científicos. Já a nova tendência é escolher propriedades alvo e, então, varrer uma grande gama de materiais até encontrar um que tenha tais propriedades.
Este é um grande desafio, pois simular materiais requer uma compreensão profunda da metodologia, com muitos ajustes necessários para cada tipo de material simulado. Contudo, o advento da área de informática de materiais tornou possível tais simulações em massa, organizando as condições para simulações serem realizadas de uma maneira consistente e reprodutível.
Portanto, interpretar essa grande quantidade de dados obtidos é o desafio atual da ciência de materiais, uma vez que tendências podem seres tabelecidas, mas podem ser altamente complexas devido à vasta variabilidade dos sistemas estudados. Neste ponto é onde o aprendizado de máquina vem tendo sucesso, pois é uma técnica ótima para identificar tendências em bases de dados grandes, onde normalmente humanos com sua intuição não são capazes de processar tanta informação.
A área de informática de materiais é recente, envolvendo a ciência dos materiais, físico-química, física aplicada, nanociências, física da matéria condensada, ciências da computação, entre outras. Este nome foi recentemente consolidado a partir de uma série de iniciativas de organizar e ampliar o conhecimento sobre materiais.
A primeira grande iniciativa nesta direção foi a Materials Genome Initiative (MGI), iniciada em 2011
nos Estados Unidos . Seu objetivo é acelerar a descoberta, design e aplicação de novos materiais, combinando sinergicamente experimento, teoria e computação de maneira integrada e com alto rendimento.
A MGI se desdobrou em uma série de projetos, entre eles o Materials Project, com foco na criação de um robusto banco de dados de simulações computacionais de uma quantidade gigante de materiais . Outros desdobramentos do MGI têm viés experimental, nos quais experimentos são realizados em massa. A proposta envolve utilizar os resultados da grande quantidade de simulações realizadas para uma triagem prévia de materiais para a aplicação desejada.
Então, experimentos podem ser realizados para testar a viabilidade dos materiais propostos, levando a possíveis candidatos de aplicações industriais. Além disso, outros países também têm projetos ao nível nacional na mesma linha, entre os principais estão o programa Suíço NCCR MARVEL (Materials Revolution: Computational Design and Discovery of Novel Materials), outro programa americano – AFLOW (Automatic FLOW for materials discovery) e o programa alemão NOMAD Laboratory
(The Novel Materials Discovery Laboratory).
Desta forma, é estratégico que o Brasil também organize seus esforços na Informática de Materiais, sendo esta a proposta deste INCT. Caso o Brasil não se organize nesta linha, o país pode perder espaço na revolução de novos materiais que está por vir, aumentando a dependência internacional.
O Brasil possui capital humano para entrar nessa área com pesquisa de ponta, necessitando para isso iniciativas colaborativas em âmbito nacional. Neste contexto, esta proposta está com uma infraestrutura e equipe únicas no contexto nacional, envolvendo pesquisadores de alto reconhecimento internacional em várias áreas do conhecimento, o que é necessário para um projeto que envolve desde a obtenção de dados a partir de bases de dados, processamento de linguagem natural, simulação de materiais, até a aplicação de aprendizado de máquina.
Esta proposta é disruptiva dentro de um contexto de descoberta de novos materiais e de novas propriedades em materiais. Entre os possíveis novos materiais estão novos compostos 2D e será a formação um grupo organizado em informática de materiais, que poderá unir seus esforços para o estudo de variados materiais estratégicos.
Pretende-se focar no contexto de recursos naturais disponíveis no Brasil, bem como suas possíveis aplicações. O INCT InfMat viabilizará também a disseminação das metodologias da área, e criará direta sinergia com grupos experimentais e o setor produtivo conforme já foi verificado em trabalhos de alto impacto recentemente publicados pelo grupo desta proposta.
SETORES DE ATIVIDADE ECONÔMICA (CNAE) RELACIONADOS
PRINCIPAL
- Pesquisa e desenvolvimento experimental em ciências físicas e naturais
CORRELATAS
- Atividades de apoio à extração de minerais, exceto petróleo e gás natural
- Geração de energia elétrica
- Educação superior – graduação e pós-graduação
- Atividades de apoio à extração de petróleo e gás natural
- Educação superior – graduação
- Educação superior – pós-graduação e extensão
ÁREAS DO CONHECIMENTO RELACIONADAS
PRINCIPAL
- Física da Matéria Condensada
CORRELATAS
- Físico-Química
- Física dos Fluídos, Física de Plasmas e Descargas Elétricas
- Metodologia e Técnicas da Computação
- Materiais Não-Metálicos
INSTITUIÇÕES ENVOLVIDAS
Executora/Sede
- Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais – CNPEM, SP, Brasil
Colaboradora
- Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, RJ, Brasil
- Universidade Presbiteriana Mackenzie – MACKENZIE, SP, Brasil
- Universidade Federal de Uberlândia – UFU, MG, Brasil
- Universidade de São Paulo – USP, SP, Brasil
- Universidade Federal do Espírito Santo – UFES, ES, Brasil
- Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho – UNESP, SP, Brasil
- Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, PE, Brasil
- Universidade Federal do Pará – UFPA, PA, Brasil
- Universidade Federal do Paraná – UFPR, PR, Brasil
- Universidade Federal de Rondonópolis – UFR, MT, Brasil
- Universidade Federal do ABC – UFABC, SP, Brasil
- Universidade Federal Fluminense – UFF, RJ, Brasil
- Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT, MT, Brasil
- Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG, MG, Brasil
PARCERIAS E ARTICULAÇÕES COM EMPRESAS, FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA ESTADUAL OU ORGANIZAÇÕES PÚBLICAS E/OU SOCIAIS PARA A EXECUÇÃO DA PROPOSTA
- Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP, SP, Brasil
- Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq, DF, Brasil
- Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP, RJ, Brasil
- FAPERJ – F_FORN, RJ, Brasil
- Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais -FAPEMIG, MG, Brasil
INDICADORES/MARCOS
1o ANO
- Publicação de 30 artigos em periódicos internacionais revisados pelos pares.
- Organização de um evento ou tutorial
2o ANO
- Publicação de 30 artigos em periódicos internacionais revisados pelos pares.
- Identificação de 2 parceiros empresariais que possuem demanda por novos materiais e compreensão de suas demandas.
- Criação do site do INCT com informações da equipe eventos e tutoriais de informática de materiais.
- Visita de pesquisadores extrangeiros ou envio de pesquisadores ao exterior. Mobilidade de 3 pesquisadores prevista.
- Organização de um evento ou tutorial.
- Busca de resultados de grupos experimentais brasileiros que poderiam se beneficiar das metodologias desenvolvidas priorizando materiais e inclusive biologia.
3o ANO
- Publicação de 30 artigos em periódicos internacionais revisados pelos pares.
- Criação do banco de dados/repositório nacional de materiais.
- Organização de um evento ou tutorial.
4o ANO
- Publicação de 30 artigos em periódicos internacionais revisados pelos pares.
- Organização de um evento ou tutorial.
5o ANO
- Publicação de 30 artigos em periódicos internacionais revisados pelos pares.
- Identificação de 2 parceiros empresariais que possuem demanda por novos materiais e compreensão de suas demandas.
- Visita de pesquisadores extrangeiros ou envio de pesquisadores ao exterior. Mobilidade de 3 pesquisadores prevista.
- Organização de um evento ou tutorial.
- Desenvolvimento de novos algoritmos e metodologias para a área de informática de materiais.