Pesquisadores usam aprendizado de máquina para desvendar como plástico se transforma em carbono rígido

Em um estudo recente publicado na revista Chemical Science, pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Oxford utilizaram simulações de aprendizado de máquina para tracar como um polímero comum se transforma em carbono rígido, revelando os processos atômicos que conferem à este material sua estrutura desordenada.

O carbono rígido é um importante material de anodo para baterias de íon de sódio, que estão ganhando atenção como alternativas econômicas às baterias de íon de lítio tradicionais, devido à abundância natural e baixo custo do sódio. Diferentemente do grafito, o carbono rígido contém estruturas de carbono curvas e irregulares que resistem à transformação em grafito ordenado, mesmo em altas temperaturas.

A origem deste comportamento incomum tem intrigado cientistas há décadas. No início dos anos 1950, Franklin estabeleceu a distinção entre carbônicos grifáveis e não grifáveis, mostrando que a escolha do precursor desempenha um papel crucial na determinação da estrutura resultante do carbono. No entanto, como o carbono rígido se desenvolve ao nível atômico permaneceu difícil de observar experimentalmente ou simular diretamente.

Desvendando a estrutura desordenada do carbono rígido

O estudo da equipe de Oxford focou-se no polivinilideno clorídrico (PVDC), um polímero que é um precursor clássico de carbono não grifável.

Para investigar a decomposição térmica deste polímero, os pesquisadores usaram simulações atômicas guiadas pelo aprendizado de máquina, que combinam a precisão das cálculos mecânicos quânticos com a eficiência computacional necessária para estudar estruturas químicas complexas. Isso permitiu-lhes seguir o movimento de átomos individuais e observar como as ligações químicas se rompem e formam à medida que o polímero é aquecido, fornecendo uma visão microscópica detalhada de como o carbono rígido se desenvolve.

As simulações revelam que a remoção de átomos de hidrogênio e cloro do precursor PVDC gera sites de carbono altamente reativos que progressivamente formam novas ligações carbono-carbono. Ao longo do tempo, essas ligações conectam os restos das cadeias de polímero em uma rede estendida.

Crucialmente, diferente do grafito, esta rede contém não apenas anéis de carbono de seis membros, mas também anéis de cinco e sete membros que introduzem curvatura. Imagine uma bola de futebol clássica: os pentágonos de cinco lados permitem que a superfície hexagonal se torne uma esfera. Da mesma forma, os motifos não-hexagonais no carbono rígido distorcem a rede de carbono, impedindo-a de formar as camadas planas e ordenadas características do grafito.