Simulando a matéria: pesquisador do CBPF ajuda a mapear materiais do futuro

A Coordenação de Física Teórica (COTEO) do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) reúne pesquisadoras e pesquisadores dedicados a compreender, a partir dos princípios fundamentais da física, o comportamento da matéria em suas mais diversas formas.

Uma de suas linhas de pesquisa, a Física da Matéria Condensada, investiga as propriedades de materiais e suas aplicações em diferentes setores da economia e do nosso cotidiano. O campo abrange desde fenômenos de mecânica quântica até as nanociências, área que estuda materiais em dimensões invisíveis a olho nu, entre 1 e 1.000 nanômetros, ou seja, na escala de átomos e moléculas.

Nessa faixa tão reduzida, os materiais se comportam de maneira surpreendente: o ouro muda de cor, metais alteram sua condutividade e substâncias comuns ganham propriedades inesperadas. Essas descobertas têm aplicações em medicina, eletrônica e no desenvolvimento de novos materiais.

É nesse contexto que Flaviano José Marchiori dos Santos iniciou, em 2025, sua trajetória como pesquisador do CBPF, trazendo experiências acumuladas em instituições de referência no Brasil e na Europa. No centro de sua agenda, estão dois estudos recém-publicados em revistas científicas internacionais, cada um voltado a um desafio concreto da ciência computacional de materiais.

Duas pesquisas, um campo em transformação

Com o avanço da capacidade de processamento e o acúmulo de dados em repositórios públicos, a física computacional de materiais vive um momento singular: a possibilidade de investigar sistematicamente centenas de compostos antes mesmo de sintetizá-los em laboratório. Os resultados de Flaviano, ao lado de pesquisadores da Suíça e da Itália, integram essa frente com dois artigos publicados nos periódicos npj Computational Materials e ACS Nano.

Para o pesquisador, a chegada ao CBPF foi também a entrada de novas redes de colaboração para o instituto: “Cheguei trazendo na bagagem pesquisas que desenvolvi em colaboração com grupos europeus de ponta, como o do professor Nicola Marzari na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e no Paul Scherrer Institute (PSI), na Suíça, e com pesquisadores da Universidade de Modena, na Itália. Os dois artigos são, de certa forma, frutos maduros dessas colaborações”, conta.

Para ele, o CBPF tem uma tradição forte em física da matéria condensada e interesse crescente em materiais quânticos e simulação computacional: “Minha atuação contribui com a área e essa nova dimensão de simulação de materiais.”

Quando a simulação aprende a se calibrar

Simular o comportamento de um material no computador significaria resolver, numericamente, as equações da mecânica quântica – a famosa equação de Schrödinger, que descreve como a probabilidade de encontrar uma partícula em cada lugar muda ao longo do tempo, dependendo da energia que atua sobre ela – para todos os seus elétrons. Na força bruta, isso é uma tarefa impossível, pois a função de onda, que descreve onde a partícula pode estar, cresce exponencialmente com o número de elétrons. Assim, cientistas desenvolvem métodos engenhosos para lidar com esse problema. Um dos mais bem-sucedidos é a chamada Teoria do Funcional da Densidade (DFT), que se tornou a principal ferramenta da ciência computacional de materiais e está por trás de inúmeras descobertas em química, física e engenharia nas últimas décadas.

Qualquer simulação DFT, no entanto, exige a definição cuidadosa de dezenas de parâmetros técnicos. Um deles é a amostragem de pontos k, uma forma de dividir matematicamente a estrutura interna do material em fatias regulares para que o computador consiga calcular suas propriedades – quanto mais detalhada a grade de pontos, mais preciso o resultado, porém mais lento e caro é o processo. Escolhas inadequadas resultam em respostas errôneas ou em desperdício de horas de processamento em supercomputadores. Historicamente, esse ajuste era feito por especialistas, caso a caso, o que inviabilizava a exploração em larga escala.

O artigo publicado na npj Computational Materials, intitulado “Accurate and efficient protocols for high-throughput first-principles materials simulations” (em português, “Protocolos precisos e eficientes para simulações de materiais em larga escala”), apresenta uma solução para esse gargalo. Em colaboração com pesquisadores da EPFL e do PSI, Flaviano desenvolveu os protocolos SSSPr: conjuntos de regras automáticas e validadas sistematicamente que escolhem os melhores parâmetros conforme o nível de precisão desejado.

O protocolo é transparente e está disponível para qualquer laboratório do mundo. “O SSSPr foi desenhado para quem realiza simulações de primeiros princípios baseadas em DFT – grupos que estudam propriedades eletrônicas, magnéticas, mecânicas ou de transporte de materiais, tanto em universidades e centros de pesquisa aplicada como na indústria”, explica Flaviano.

O grande desafio nessas simulações, detalha ele, é escolher os parâmetros numéricos corretos, em particular a amostragem de pontos k e o smearing (parâmetro da temperatura fictícia usada para esmerilhar/suavizar a estrutura eletrônica dos materiais), de forma que os resultados sejam precisos sem desperdiçar tempo computacional: “O SSSPr oferece exatamente isso: uma receita automatizada e rigorosamente testada para fazer essa escolha de forma otimizada.”

O mapa magnético dos materiais ultrafinos

Materiais bidimensionais, com apenas uma camada de átomos de espessura, estão entre as apostas mais promissoras da física moderna. Quando esses materiais são também magnéticos, suas possibilidades tecnológicas se multiplicam.

A maior parte do magnetismo nesses compostos surge do spin dos elétrons: uma propriedade quântica que funciona como uma bússola em escala atômica. Dependendo de como esses “ímãs microscópicos” se organizam, o material pode ser ferromagnético (todos os spins apontando na mesma direção) ou antiferromagnético (direções alternadas que se cancelam).

O terceiro tipo, o altermagnético, é o mais recente. Assim como no antiferromagnético, os spins se alternam em direções opostas, mas os altermagnetos apresentam simetrias mais próximas de ferromagnetos, o que cria novas possibilidades.

O altermagnetismo foi identificado e consolidado apenas nos últimos anos pela comunidade científica, o que torna a identificação de dois materiais desse tipo no mapeamento feito e descrito no artigo um achado de particular interesse.

O desafio é que cada material pode existir em múltiplos estados magnéticos, como um objeto que pode parar em diferentes buracos em um terreno irregular. Encontrar o estado mais estável é essencial para prever o comportamento real do composto, mas isso é computacionalmente difícil: há muitos ‘falsos fundos’ que enganam os algoritmos.

No artigo “Exploring the Magnetic Landscape of Easily Exfoliable Two-Dimensional Materials” (em português, “Mapeando o comportamento magnético de materiais bidimensionais facilmente esfoliáveis”), publicado na ACS Nano, Flaviano Marchiori dos Santos e pesquisadores do PSI, do EPFL, do Instituto Nanoscienze e da Universidade de Milão (Itália) analisaram sistematicamente 194 materiais extraídos de bancos de dados públicos, usando um fluxo de trabalho automatizado e a técnica DFT+U,uma versão mais precisa da simulação DFT. O resultado é um mapa detalhado da organização magnética desse universo de compostos:

● 109 monocamadas ferromagnéticas, 83 antiferromagnéticas e 2 altermagnéticas.

● 12 semimetais ferromagnéticos de spin (half-metals).

Para Flaviano Marchiori dos Santos, o trabalho tem abrangência inédita nessa classe de materiais. “Partimos de uma base de dados de mais de 3 mil monocamadas potencialmente exfoliáveis e conduzimos uma triagem rigorosa em dois estágios: primeiro com DFT padrão, depois com correções de Hubbard calculadas de primeiros princípios, o que é computacionalmente muito mais custoso, mas também muito mais acurado.”

O diferencial metodológico, ressalta, está no uso do algoritmo ROMEO (Rapid Opensource Minimum spanning tree algorithm) para explorar sistematicamente o landscape de energia magnética, isto é, o conjunto de todas as configurações possíveis dos spins eletrônicos e das energias a elas associadas: “Foi a primeira vez que essa abordagem foi aplicada para materiais 2D exfoliáveis com magnetismo.”

Entre os achados, os 12 semimetais de spin chamam atenção. “Essa é uma classe muito especial de materiais: em um dos canais de spin os elétrons se comportam como num metal, enquanto no outro se comportam como num isolante”, explica o pesquisador. “Isso os torna candidatos promissores para aplicações em spintrônica, a eletrônica que explora o spin do elétron em vez, ou além, da sua carga. Encontrar 12 candidatos inéditos nessa categoria, a partir de materiais que já existem na natureza e podem ser exfoliados, é um resultado notável.” Igualmente relevante foi a descoberta dos dois materiais altermagnéticos.

Do laboratório virtual ao mundo real

A física de materiais raramente produz resultados de aplicação imediata. Essa distância entre ciência fundamental e produto tecnológico costuma ser mal compreendida, mas são as descobertas feitas em laboratórios como os do CBPF que possibilitam o desenvolvimento de novas tecnologias.

Flaviano Marchiori dos Santos usa uma analogia para explicar o valor da simulação: “Imagine que você quer desenvolver um novo material para uma bateria mais eficiente, um sensor mais eficiente ou um componente eletrônico menor e mais rápido. Fazer isso puramente no laboratório é lento e caro: você sintetiza, testa, descarta, recomeça.” A simulação computacional, continua ele, permite explorar milhares de candidatos no computador, prever suas propriedades e identificar os mais promissores antes de qualquer experimento físico.

“É como ter um laboratório virtual que funciona 24 horas por dia, capaz de testar coisas que ainda não existem. No entanto, para que esse laboratório seja confiável, é preciso que os métodos de simulação sejam precisos e bem calibrados. É exatamente isso que o nosso trabalho de protocolos SSSPr garante: que as ‘réguas’ usadas nas simulações estejam bem aferidas para que as previsões feitas no computador correspondam ao que acontece na realidade.”

Os protocolos SSSPr reduzem o custo computacional – e, portanto, energético e financeiro – da triagem de novos materiais. Isso pode acelerar a busca por melhores eletrodos para baterias de lítio, por catalisadores para produção de hidrogênio verde ou por substitutos para metais raros usados em painéis solares. Já o mapeamento dos materiais magnéticos bidimensionais oferece uma base de dados acessível a grupos de todo o mundo que trabalham com spintrônica.

Ciência aberta

Publicar em periódicos como npj Computational Materials e ACS Nano, que operam sob políticas de ciência aberta, reflete um compromisso que vai além da excelência científica: o de que o conhecimento produzido circule livremente entre pesquisadores de diferentes países, seja testado, replicado e ampliado. Ambos os artigos estão disponíveis em acesso aberto.

Para Flaviano, fazer ciência de ponta a partir do Brasil, em colaboração com centros europeus de referência, tem um significado que transcende os resultados publicados. “Ciência de ponta hoje é por natureza uma atividade colaborativa e internacional. A gente constrói pontes e faz o Brasil ser um polo ativo nessas redes.”

Ao integrar redes de pesquisa com centros europeus e contribuir para bases de dados e ferramentas públicas, o CBPF afirma seu papel em uma visão de ciência como bem comum, além de garantir que o Brasil participe ativamente da construção das tecnologias do futuro.

Link dos artigos:

Accurate and efficient protocols for high-throughput first-principles materials simulations: https://www.nature.com/articles/s41524-026-02097-8

Exploring the Magnetic Landscape of Easily Exfoliable Two-Dimensional Materials: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c16067