Desenvolvimento de Ferramentas Computacionais para Construção, Otimização e Análise Atomística de Geopolímeros

Descrição

Os geopolímeros e materiais aluminosilicáticos álcali-ativados constituem uma classe de materiais cerâmicos de grande relevância científica e tecnológica, com aplicações potenciais em construção civil de baixo carbono, encapsulamento de resíduos, adsorção, catálise e materiais funcionais. Sua estrutura pode ser descrita, em escala atomística, como uma rede formada por unidades tetraédricas [SiO4] e unidades [AlOx], com x = 4, 5 ou 6, associadas à presença de cátions compensadores e modificadores de rede, como Na+, K+, Ca2+ e outros metais. A organização dessas unidades, sua conectividade, grau de polimerização, distribuição de cátions, presença de oxigênios ponte e não ponte, bem como a ocorrência de defeitos estruturais, controlam propriedades estruturais, mecânicas, químicas e de estabilidade desses materiais. Este projeto propõe o desenvolvimento de ferramentas computacionais em Python para construção, otimização e análise de modelos atomísticos de geopolímeros sob condições periódicas de contorno. A proposta envolve a criação de algoritmos capazes de montar células unitárias e supercélulas contendo unidades [SiO4] e [AlOx], respeitando critérios químicos, estequiométricos, geométricos e de compensação de carga. Os modelos gerados serão posteriormente submetidos a otimizações estruturais e simulações computacionais utilizando métodos de mecânica molecular e dinâmica molecular, principalmente com o pacote LAMMPS, além de métodos semiempíricos baseados em xTB. Estruturas selecionadas como promissoras poderão ser refinadas e estudadas por cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade, utilizando o Quantum ESPRESSO. A ferramenta computacional será desenvolvida de forma modular, integrando construção de modelos, preparação de arquivos de entrada, execução ou organização de fluxos de cálculo, leitura de resultados e cálculo automatizado de descritores estruturais e topológicos. Entre os descritores previstos estão parâmetros de célula, densidade, distâncias e ângulos de ligação, números de coordenação, distribuição de espécies Qn, conectividade Si–O–Al, identificação de oxigênios ponte e não ponte, distorções poliédricas, distribuição radial de pares atômicos, análise de vizinhança, porosidade e métricas comparativas entre diferentes composições. O projeto terá impacto direto na formação de estudantes em química computacional, ciência dos materiais e programação científica, além de gerar uma plataforma útil para futuros estudos de geopolímeros, materiais cimentícios alternativos e redes aluminosilicáticas. A partir deste projeto serão elaborados dois planos de trabalho: um voltado ao desenvolvimento do algoritmo/software de construção atomística e outro voltado à otimização, simulação e análise dos modelos gerados.