Think about o concreto em nossas casas e pontes não apenas sugere a devastação do tempo e desastres naturais, como o calor intenso dos incêndios florestais, mas a auto-cicatrização ativamente ou captura o dióxido de carbono da atmosfera.
Agora, pesquisadores da USC Viterbi Faculty of Engineering desenvolveram um modelo revolucionário de IA que pode simular o comportamento de bilhões de átomos simultaneamente, abrindo novas possibilidades de design e descoberta de materiais em escalas sem precedentes.
O estado atual do clima mundial é terrível. Secas brutais, geleiras evaporadoras e furacões mais desastrosos, tempestades e incêndios florestais nos devastam a cada ano. Um dos principais contribuintes para o aquecimento world é a emissão constante de dióxido de carbono na atmosfera.
Aiichiro Nakano, professor da USC Viterbi de ciência da computação, física e astronomia e biologia quantitativa e computacional, estava contemplando esses problemas após os incêndios florestais de janeiro em Los Angeles. Então, ele procurou o parceiro de longa information Ken-Ichi Nomura, professor da USC Viterbi de engenharia química e prática de ciência de materiais, com quem ele colaborou há mais de 20 anos.
Discutir essas questões juntos ajudou a desencadear seu novo projeto: Allegro-FM, um modelo de simulação synthetic de inteligência. O Allegro-FM fez uma descoberta teórica surpreendente: é possível recuperar o dióxido de carbono emitido no processo de transformar concreto e colocá-lo de volta no concreto que ajudou a produzir.
“Você pode simplesmente colocar o CO2 dentro do concreto, e isso faz um concreto neutro em carbono”, disse Nakano.
Nakano e Nomura, juntamente com Priya Vashishta, professora de engenharia química e ciência de materiais da USC Viterbi, e Rajiv Kalia, professora de física e astronomia da USC, está pesquisando o que eles chamam de “sequestro de CO2”, ou o processo de recapturação de dioxido de carbono e armazenamento, um processo de desafio.
Ao simular bilhões de átomos simultaneamente, o Allegro-FM pode testar diferentes químicas de concreto virtualmente antes de experimentos caros do mundo actual. Isso pode acelerar o desenvolvimento de concreto que atua como um coletor de carbono, em vez de apenas uma fonte de carbono – a produção de concreto atualmente representa cerca de 8% das emissões globais de CO2.
O avanço está na escalabilidade do modelo. Embora os métodos de simulação molecular existentes sejam limitados a sistemas com milhares ou milhões de átomos, o Allegro-FM demonstrou eficiência de 97,5% ao simular mais de quatro bilhões de átomos no supercomputador da Aurora no Laboratório Nacional de Argonne.
Isso representa recursos computacionais aproximadamente 1.000 vezes maiores que as abordagens convencionais.
O modelo também abrange 89 elementos químicos e pode prever o comportamento molecular para aplicações que variam de química de cimento ao armazenamento de carbono.
“O concreto também é um materials muito complexo. Consiste em muitos elementos e fases e interfaces diferentes. Portanto, tradicionalmente, não tínhamos uma maneira de simular fenômenos envolvendo materials concreto. Mas agora podemos usar esse Allegro-FM para simular propriedades mecânicas (e) propriedades estruturais”, disse Nomura.
O concreto é um materials resistente ao fogo, tornando-o uma escolha best de construção após os incêndios florestais de janeiro. Mas a produção de concreto também é um enorme emissor de dióxido de carbono, um problema ambiental particularmente preocupante em uma cidade como Los Angeles. Em suas simulações, o Allegro-FM demonstrou ser neutro em carbono, tornando-o uma escolha melhor do que outro concreto.
Esse avanço não resolve apenas um problema. O concreto moderno dura apenas cerca de 100 anos em média, enquanto o concreto romano antigo durou mais de 2.000 anos. Mas a recuperação do CO2 também pode ajudar isso.
“Se você colocar o CO2, a chamada ‘camada de carbonato’ se torna mais robusta”, disse Nakano.
Em outras palavras, o Allegro-FM pode simular um concreto neutro em carbono que também pode durar muito mais do que o concreto de 100 anos normalmente dura hoje em dia. Agora é apenas uma questão de construí -lo.
Nos bastidores
Os professores lideraram o desenvolvimento do Allegro-FM com uma apreciação de como a IA tem sido um acelerador de seu trabalho complexo. Normalmente, para simular o comportamento dos átomos, os professores precisariam de uma série precisa de fórmulas matemáticas – ou, como Nomura os chamava de “fenômenos profundos e profundos da mecânica quântica”.
Mas os últimos dois anos mudaram a maneira como as duas pesquisas.
“Agora, devido a esse avanço da IA de aprendizado de máquina, em vez de derivar toda essa mecânica quântica do zero, os pesquisadores estão adotando uma abordagem de gerar um conjunto de treinamento e depois deixar o modelo de aprendizado de máquina executar”, disse Nomura. Isso torna o processo dos professores muito mais rápido e mais eficiente em seu uso da tecnologia.
O Allegro-FM pode prever com precisão “funções de interação” entre átomos-em outras palavras, como os átomos reagem e interagem entre si. Normalmente, essas funções de interação exigiriam muitas simulações individuais.
Mas esse novo modelo muda isso. Originalmente, havia diferentes equações para elementos individuais dentro da tabela periódica, com várias funções exclusivas para esses elementos. Com a ajuda de IA e aprendizado de máquina, agora podemos simular potencialmente essas funções de interação com quase toda a tabela periódica ao mesmo tempo, sem o requisito de fórmulas separadas.
“A abordagem tradicional é simular um certo conjunto de materiais. Portanto, você pode simular, digamos, vidro de sílica, mas você não pode simular (isso) com, digamos, uma molécula de drogas”, disse Nomura.
Esse novo sistema também é muito mais eficiente no lado da tecnologia, com os modelos de IA fazendo muitos cálculos precisos que costumavam ser feitos por um grande supercomputador, simplificando tarefas e liberando os recursos do supercomputador para pesquisas mais avançadas.
“(A IA pode) alcançar a precisão mecânica quântica com recursos de computação muito, muito menores”, disse Nakano.
Nomura e Nakano dizem que seu trabalho está longe de terminar.
“Certamente continuaremos esta pesquisa de estudo concreto, fazendo geometrias e superfícies mais complexas”, disse Nomura.
Esta pesquisa foi publicada recentemente em O Journal of Bodily Chemistry Letters e foi apresentado como a imagem da capa do Journal.
