Si aplica suficiente calor, en algún momento, la mayoría de las cosas se derriten, como el helado en un caluroso día de verano.

Conocer las temperaturas de fusión exactas es fundamental para construir cualquier material de alto rendimiento. La construcción y la seguridad de puentes, turbinas de gas, motores a reacción y escudos térmicos en aeronaves dependen del conocimiento de los límites de rendimiento de los materiales. Los materiales a menudo se sintetizan o procesan empleando el estado fundido o líquido, por lo que conocer la fusión es fundamental para fabricar nuevos materiales.

Cambie al campo 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 características de los planetas en nuestro sistema solar y los exoplanetas en órbitas lejanas.

Pero medir la temperatura de fusión de un compuesto o material es una tarea ardua. Por eso, de los más de 200 000 compuestos inorgánicos estimados, se conoce menos del 10 % de sus temperaturas de fusión.

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, creando un cambio de fase de sólido a líquido. Esto es análogo a la fusión de hielo sólido para formar agua líquida. Pero cuando los materiales de alta temperatura superan los 2000 o 3000 grados, encontrar una cámara experimental para realizar las mediciones puede ser un desafío. Y, a veces, las rocas tienen 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 presentar un desafío. Los materiales sintetizados en condiciones extremas de alta presión y temperatura también suelen estar 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 en la Universidad de Brown, han aprovechado el poder de la inteligencia artificial (IA) o aprendizaje automático (ML) para demostrar una manera más fácil para predecir las temperaturas de fusión de cualquier compuesto o fórmula química.

"Empleamos métodos de aprendizaje automático para llenar este vacío mediante la creación de 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, dentro de las Escuelas de Ira A. Fulton. Ingeniería.

"El modelo que hemos desarrollado facilitará el análisis de datos a gran escala relacionados con la temperatura de fusión en una amplia gama de áreas. Estas incluyen 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 hacerlo, el equipo de investigación construyó un modelo a partir de una arquitectura de redes neuronales y entrenó su programa de aprendizaje automático en una base de datos personalizada que abarca 9375 materiales, de los cuales 982 compuestos tienen temperaturas de fusión superiores a los abrasadores 3100 grados Fahrenheit (o 2000 grados Kelvin). Los materiales a esta temperatura brillan al rojo vivo.

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 que tengan temperaturas de fusión extremadamente altas por encima de los 3000 Kelvin (o 5000 grados Fahrenheit).

Para el proyecto de minerales, 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 obtenidas por IA se aplicaron a minerales fabricados desde la formación de la Tierra hace unos 4.500 millones de años. Los minerales más antiguos se originan directamente de estrellas o condensados ​​de nebulosas interestelares y solares anteriores a la formación de la Tierra hace 4.500 millones de años. Estos son los más refractarios, con temperaturas de fusión de alrededor de 2600 F.

En su mayor parte, hubo una disminución gradual en las temperaturas de fusión calculadas de los minerales identificados en la Tierra en tiempos más recientes, con dos excepciones importantes.

"La disminución general gradual en la temperatura de fusión de los minerales formados durante la historia de la Tierra se interrumpe con dos anomalías, que son claramente pronunciadas en las temperaturas de fusión medias y medias utilizando la acumulación de hace 250 o 500 millones de años", dijo Navrotsky, profesor de ASU con facultad conjunta. nombramientos en la Escuela de Ciencias Moleculares y la Escuela de Ingeniería de Materia, Transporte y Energía y Director de MOTU, el Centro Navrotsky Eyring para Materiales del Universo.

La primera anomalía en la historia temprana de la Tierra provino de un aumento dramático de la temperatura causado por un momento 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 intenso tardío, hipotetizado exclusivamente 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 los minerales hace alrededor de 1750 millones de años.

"La inmersión de hace 1.750 millones de años está relacionada con las primeras apariciones conocidas de una gran cantidad de minerales hidratados (que contienen agua) y se correlaciona con la glaciación de Huronian, la edad de hielo más larga que se cree que es la primera vez que la Tierra estuvo completamente cubierta de hielo. ."

Con su programa de aprendizaje automático capacitado para replicar con éxito la fusión de minerales en la historia temprana de la Tierra, a continuación, el equipo centró su atención en encontrar nuevos materiales que tengan temperaturas de fusión extremadamente altas. Se identifican docenas de nuevos materiales y se predice computacionalmente que tienen temperaturas de fusión extremadamente altas por encima de los 5000 grados Fahrenheit (3000 Kelvin), más de la mitad de la temperatura de la superficie del Sol.

El equipo hizo su modelo lo suficientemente simple y confiable para que cualquier usuario pueda obtener la temperatura de fusión en segundos para cualquier compuesto basándose solo en su fórmula química.

"Para usar el modelo, un usuario debe visitar la página web e ingresar las composiciones químicas del material de interés", dijo Hong. "El modelo responderá con una temperatura de fusión pronosticada en segundos, así como con 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 también".

El modelo, alojado por las instalaciones informáticas de investigación de ASU, ahora está disponible públicamente en la página web de ASU:https://faculty.engineering.asu.edu/hong/melting-temperature-predictor/.

La investigación fue publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences . + Explora más

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