Realidade virtual ajuda a criar novos materiais

Publicado em 05/10/2018

A realidade virtual é uma ferramenta essencial para o desenvolvimento de novos materiais em pesquisas realizadas no Instituto de Física (IF) da USP. Simulações feitas em computador criam a possibilidade de percorrer o interior de um material e visualizar em escala nanométrica como suas moléculas se organizam. Entre as aplicações do sistema, está a criação de compostos para facilitar a extração de petróleo na camada do pré-sal.

"As simulações buscam entender como seria o comportamento dos materiais sob determinadas condições de interesse, como níveis específicos de temperatura e pressão", conta o professor Caetano Rodrigues Miranda, do grupo Simulação Aplicada a Materiais: Propriedades Atomísticas (Sampa) do IF. "Tudo isso é feito do ponto de vista atomístico, simulando os materiais a partir de átomos e moléculas, e se nessa escala enormemente reduzida as simulações reproduzem as propriedades macroscópicas, para uso em aplicações."

Entre as aplicações que são pesquisadas com auxílio da realidade virtual estão materiais para baterias e células de combustível (que produzem energia a partir do hidrogênio e oxigênio). "Também são estudadas aplicações em infraestrutura, como novos tipos de cimento", aponta Miranda. "Na indústria de petróleo e gás, as simulações auxiliam na criação de nanopartículas para controlar a interface entre a rocha, o óleo e a salmoura (água com sais) e melhorar a extração."

"Água esperta"

O professor explica que nas camadas mais profundas do solo, abaixo do leito oceânico (pré-sal), o petróleo está impregnado nos poros das rochas, como a calcita, uma rocha sedimentar formada por esqueletos de animais que viveram há milhares de anos. "Durante a perfuração, a diferença de pressão faz com que o óleo percorra os poros da calcita e chegue à superfície", relata. Com o tempo, porém, a diferença diminui e a extração fica mais difícil. "Assim, é feita uma injeção de salmoura para empurrar o óleo. Recentemente descobriu-se que reduzindo a salinidade havia um aumento da produção, entretanto os motivos não estão completamente entendidos. Portanto, entender e otimizar a composição da salmoura permitiria aumentar a produtividade da extração."

Para estudar a interação entre a calcita (CaCO3) e a água com os sais cloreto de sódio (NaCl) e cloreto de cálcio (CaCl2), dentre outros íons, a estrutura molecular da rocha e dos compostos é reconstruída em computador. "O ambiente virtual é montado a partir da dinâmica molecular, ou seja, a partir da posição dos átomos e moléculas em função do tempo", observa Miranda. Com o uso de óculos 3-D e controles manuais, os pesquisadores podem refazer o percurso da água pelos poros da calcita e outros sistemas. "Desse modo, é possível saber, por exemplo, se o poro é hidrofóbico ou hidrofílico, ou seja, se favorece a passagem da água ou não, e como os sais podem facilitar esse processo."

De acordo com o professor, os avanços na parte computacional tornaram a realidade virtual mais acessível para as pesquisas. "A capacidade de processamento dos computadores aumentou, favorecendo a produção de ambientes virtuais, e ao mesmo tempo os óculos e controles já são largamente usados em jogos eletrônicos, com custo acessível", destaca. "A percepção em escala nanométrica é mais difícil, pois ela foge do cotidiano. A importância da realidade virtual é oferecer uma experiência imersiva que favoreça a intuição dos cientistas."

Professor Caetano Rodrigues Miranda: grupo de pesquisa desenvolveu ferramentas computacionais que convertem os dados das propriedades e estruturas das moléculas em sons, para facilitar os estudos sobre desenvolvimento de novos materiais " Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Sonificação das moléculas

Um dos experimentos com realidade virtual envolve a sonificação. "O grupo desenvolveu ferramentas computacionais que convertem os dados das propriedades e estruturas das moléculas em sons", explica Miranda. "Para entender como os átomos de hidrogênio se combinam nas moléculas de água que ficam próximas à calcita, para cada tipo de ligação de hidrogênio foi atribuído o som de um instrumento musical, de modo que o ouvinte possa perceber a diferença". Além de ampliar a percepção dos pesquisadores, a sonificação pode ser usada na composição musical e para divulgação científica.

Para estender os estudos aos engenheiros de petróleo, o grupo Sampa utiliza uma impressora 3-D e técnicas de microfluídica para reproduzir os poros das rochas. "As simulações em realidade virtual demonstram o comportamento dos elementos em escala atomística, enquanto as reproduções dos poros permitem verificar se esse comportamento se repete no reservatório de óleo", diz o professor. "Em uma etapa mais avançada das pesquisas, serão desenvolvidos aditivos químicos que modifiquem a interação entre o óleo e a salmoura, melhorando a extração."

Mais informações: e-mail cmiranda@if.usp.br, com o professor Caetano Rodrigues Miranda.

Fonte: Jornal USP