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(Noticias de Nanowerk) Si aplica suficiente calor a un material, la mayoría de las cosas eventualmente se derretirán, como el helado en un caluroso día de verano.
Los ingenieros confían en este conocimiento todos los días. Conocer las temperaturas de fusión exactas es un parámetro crítico para construir materiales de alto rendimiento. Desde la construcción y la seguridad de puentes hasta turbinas de gas y motores a reacción, pasando por escudos térmicos de aeronaves, todo depende de la comprensión de los límites de rendimiento de los materiales. Los materiales a menudo se sintetizan o procesan en estado fundido o líquido, por lo que el conocimiento de la fusión es fundamental para crear nuevos materiales.
Cambie al reino de la Tierra y la ciencia planetaria, y los puntos de fusión se utilizan para revelar pistas sobre el pasado de la Tierra y las propiedades de los planetas en nuestro sistema solar y exoplanetas distantes.
Sin embargo, medir la temperatura de fusión de un compuesto o material es una tarea tediosa. Por esta razón, menos del 10% de los 200.000 compuestos inorgánicos estimados tienen sus temperaturas de fusión conocidas.
Las temperaturas de fusión a menudo se miden después de calibrar cuidadosamente las estructuras cristalinas o trazar las curvas de energía libre termodinámica cuando un material se derrite, produciendo un cambio de fase de sólido a líquido. Esto es análogo a la fusión de hielo sólido en agua líquida. Pero cuando los materiales de alta temperatura superan los 2000 o 3000 grados, encontrar una cámara de prueba para tomar las medidas puede ser un desafío. Y a veces las rocas contienen mezclas complejas de minerales no mucho más grandes que un grano de arena, por lo que obtener suficientes muestras de un solo mineral también puede ser un desafío. Los materiales que se sintetizan bajo condiciones extremas de presión y temperatura a menudo solo están disponibles en cantidades muy pequeñas.
Ahora, los investigadores de la Universidad Estatal de Arizona Qi-Jun Hong, Alexandra Navrotsky y Sergey Ushakov, junto con Axel van de Walle de la Universidad de Brown, han aprovechado el poder de la inteligencia artificial (IA) o el aprendizaje automático (ML) para crear un To demostrar una forma de predecir las temperaturas de fusión para potencialmente cualquier compuesto o fórmula química (procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias«Predicción de la temperatura de fusión utilizando un modelo de red neuronal gráfica: de minerales antiguos a nuevos materiales»).
«Estamos utilizando métodos de aprendizaje automático para llenar este vacío al generar un mapeo rápido y preciso desde la fórmula química hasta la temperatura de fusión», dijo Hong, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Materia, Transporte y Energía de Ira A. Escuelas de Ingeniería Mecánica de Fulton .
“El modelo que hemos desarrollado permitirá el análisis de datos de temperatura de fusión a gran escala en una amplia gama de dominios. Esto incluye el descubrimiento de nuevos materiales de alta temperatura, el diseño de nuevos procesos metalúrgicos extractivos, el modelado de la formación de minerales, la evolución de la Tierra a lo largo del tiempo geológico y la predicción de la estructura de los exoplanetas”.
El enfoque de Hong permite calcular las temperaturas de fusión en milisegundos para cualquier entrada de compuesto o fórmula química. Para hacer esto, el equipo de investigación modeló una arquitectura de red neuronal y entrenó su programa de aprendizaje automático en una base de datos especialmente seleccionada que incluía 9375 materiales, 982 de los cuales tenían temperaturas de fusión superiores a 3100 grados Fahrenheit (o 2000 grados Kelvin). A esta temperatura, los materiales brillan incandescentes.
Hong utilizó esta metodología para explorar dos líneas de investigación: 1) predecir las temperaturas de fusión de casi 5000 minerales y 2) encontrar nuevos materiales con temperaturas de fusión extremadamente altas por encima de los 3000 Kelvin (o 5000 grados Fahrenheit).
Para el proyecto mineral, el equipo de Hong pudo predecir las temperaturas de fusión y correlacionarlas con las principales épocas geológicas conocidas de la historia de la Tierra. Estas temperaturas de fusión derivadas de la IA se han aplicado a los minerales producidos desde que se formó la Tierra hace unos 4500 millones de años. Los minerales más antiguos provienen directamente de estrellas o condensados de nebulosas interestelares y solares que se formaron antes de que se formara la Tierra hace 4.500 millones de años. Estos son los más refractarios con temperaturas de fusión de alrededor de 2600F.
En su mayor parte, ha habido una disminución gradual en las temperaturas de fusión calculadas de los minerales identificados recientemente en la Tierra, con dos excepciones importantes.
«La caída general gradual en la temperatura de fusión de los minerales formados a lo largo de la historia de la Tierra está marcada por dos anomalías que son prominentes en las temperaturas de fusión medias y medias cuando se usa el binning hace 250 o 500 millones de años», dijo Navrotsky, profesor de ASU con nombramientos de profesores conjuntos en el Escuela de Ciencias Moleculares y Escuela de Ingeniería de la Materia, Transporte y Energía y Director de MOTU, el Centro Navrotsky Eyring de Materiales del Universo.
La primera anomalía en la historia temprana de la Tierra provino de un aumento dramático en la temperatura causado por un período aterrador y dinámico de grandes impactos de meteoritos, incluida la posible formación de la luna.
«El pico de hace 3.750 millones de años se correlaciona con el momento propuesto del bombardeo pesado tardío hipotetizado únicamente a partir de la datación de muestras lunares y actualmente debatido», dijo Navrotsky.
El equipo también notó una gran caída de temperatura en las temperaturas de fusión de minerales hace alrededor de 1.750 millones de años.
«La depresión de 1.750 mil millones de años está relacionada con las primeras ocurrencias conocidas de una gran cantidad de minerales hidratados (que contienen agua) y se correlaciona con la Edad de Hielo de Huronian, la edad de hielo más larga que se cree que fue la primera vez que la Tierra se cubrió por completo. estaba cubierto de hielo».
Con su programa de aprendizaje automático capacitado para replicar con éxito el derretimiento de minerales en la historia temprana de la Tierra, el equipo luego centró su atención en encontrar nuevos materiales con temperaturas de fusión extremadamente altas. Se están identificando y prediciendo computacionalmente docenas de nuevos materiales con temperaturas de fusión extremadamente altas que superan los 5000 grados Fahrenheit (3000 Kelvin), más de la mitad de la temperatura de la superficie del Sol.
El equipo hizo su modelo tan simple y confiable que cualquier usuario puede obtener la temperatura de fusión de cualquier compuesto en segundos basándose solo en su fórmula química.
«Para usar el modelo, un usuario debe visitar el sitio web e ingresar la composición química del material de interés», dijo Hong. “El modelo responde en segundos con una temperatura de fusión prevista, así como las temperaturas de fusión reales de los vecinos más cercanos (es decir, los materiales más similares) en la base de datos. Por lo tanto, este modelo sirve no solo como un modelo predictivo, sino también como un manual de temperatura de fusión”.
El modelo, alojado por las instalaciones de computación de investigación de ASU, ahora está disponible públicamente en el sitio web de ASU.
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