Simulações de crómio: método mais rápido e mais preciso

Um átomo de crómio é pequeno, e os seus eletrões estão tão apertados em orbitais compactos que, nas palavras de Kay Carter-Fenk, se comportam como residentes de «apartamentos minúsculos». Para os químicos que tentam prever como estes átomos se ligam dentro de uma molécula, esta aglomeração é há muito o problema. O crómio é um ingrediente essencial do aço inoxidável e está também entre os metais que os métodos de simulação habituais tratam pior.

Duas famílias de métodos fazem a maior parte do trabalho. A teoria coupled cluster, ou CC, parte de cada eletrão que se move no campo médio de todos os outros e acrescenta, passo a passo, a energia das interações entre pares de eletrões e depois entre grupos de três. Para muitas moléculas é o «padrão de ouro» da química quântica, mas o seu custo computacional sobe de forma acentuada à medida que as moléculas crescem. A teoria do funcional da densidade, ou DFT, parte de uma imagem mais simples da densidade eletrónica global e é muito mais barata, mas assenta em aproximações e parâmetros que não estão totalmente fixados, pelo que os seus resultados podem estar errados. Ambas têm um desempenho fraco com metais de transição abundantes, como o ferro, o cobalto e o crómio.

John Keith e Barbaro Zulueta procuravam formas de modelar o crómio para fazer melhores aços inoxidáveis para a Marinha norte-americana. Ao lerem a bibliografia, perceberam que a DFT era por vezes, mas nem sempre, um ponto de partida melhor do que o normalmente usado com a CC para estes metais. Outros investigadores já o tinham referido, sem uma explicação clara. O grupo de Carter-Fenk, que trabalha com eletrões fortemente correlacionados, sugeriu que a causa estava na matemática subjacente e não nas próprias orbitais. A equipa construiu então um diagnóstico que mede a diferença entre as duas densidades iniciais e a transforma num único número. «A grandeza desse número pode indicar se o ponto de partida da DFT é vantajoso ou não», afirmou o primeiro autor, Abdulrahman Zamani.

Com essa regra em mãos, os investigadores referiram que a CC consegue atingir a precisão química em muitas combinações difíceis de átomos, com resultados próximos dos obtidos com semanas ou meses de supercomputação, mas em minutos a horas. O título do artigo, «Improving coupled cluster theory for strongly correlated molecules with Kohn-Sham density encoding» (Melhorar a teoria coupled cluster para moléculas fortemente correlacionadas com codificação da densidade de Kohn-Sham), descreve o método; o material de imprensa não refere testes num conjunto mais vasto de moléculas para além das do estudo.

Por agora, o beneficiário mais direto é a comunidade da aprendizagem automática. Os modelos que preveem o comportamento molecular são normalmente treinados com dados de DFT, e a equipa defende que esses dados são menos fiáveis precisamente quando o crómio está envolvido. Um cálculo de referência mais preciso dá a esses modelos melhor material para aprender. O ganho a mais longo prazo, segundo Keith, é um caminho para metais como o aço inoxidável e os lantanídeos e actinídeos pesados. Essas aplicações, e os novos materiais e catalisadores a que possam conduzir, continuam a ser objetivos: o estudo é um resultado computacional, e nenhuma nova liga ou catalisador foi produzido a partir dele.