Confrontação de padrão físico com imagem gerada pelo primeiro software cristalográfico, o ORTEP, em 1965 (Nascente: Felknor, 1965)Por Fernando Bardella e Ricardo Leal Neto*
Haveria um pouco em generalidade entre flocos de neve, a fiação elétrica de cobre, as rodas de liga ligeiro de seu veículo e diamantes ostentados em joias?
As formas geométricas externas de cristais naturais, porquê flocos de neve, quartzo, pirita, hematita e tantos outros sempre aguçaram o intelecto humano. Não por contingência, o próprio termo cristal, advindo do helênico krustallos, significa rocha de gelo. Mas foi exclusivamente nos primórdios do século XVII que as formas geométricas externas dos cristais foram atribuídas a um restauro regular de pequenos “glóbulos” que os constituem… Isso ocorreu a partir da reparo de flocos de neve, cujas formas geométricas hexagonais intrigaram e foram objeto de estudo do matemático e astrônomo teuto Joannes Kepler, mais espargido por suas leis do movimento planetário.
No século XX, descobriu-se que não exclusivamente em cristais naturais, mas em muitos outros materiais naturais ou sintéticos, os átomos constituintes estão regularmente organizados, independentemente da forma externa do corpo em questão. A essa organização interna dá-se o nome de Estrutura Cristalina.
Fios de cobre, barras de aço de construção, sal de cozinha, ouro, prata e pedras preciosas, talheres metálicos e xícaras de porcelana são todos cristalinos, o que não quer manifestar que tudo que é sólido é cristalino: o vidro da janela de nossas residências e peças de plástico em universal não são cristalinos, ou seja, os átomos que os constituem não estão regularmente organizados.
A particularidade mediano que constitui a organização cristalina é a periodicidade, ou seja, há um padrão de repetição dos átomos ou moléculas que é encontrado em toda a estrutura. Desde a idade de Keppler, cientistas e filósofos têm se perguntado – quantas são as possíveis configurações de átomos organizados no espaço tridimensional? Há um limite para isso? Sim! Foi em meados do século XIX que o físico galicismo Auguste Bravais determinou matematicamente que exclusivamente 14 redes espaciais bastariam para definir os modos de repetição em três dimensões. Você provavelmente se surpreenderá com a próxima asseveração: são 14 redes espaciais ou cristalinas, mas há um número muito maior de estruturas cristalinas conhecidas, que em tese é infindo. Não é tão difícil entender o porquê: as redes definem o modo de repetição, mas não aquilo que será repetido! Para facilitar o entendimento, vamos explorar o que ocorre em duas dimensões, ou seja, alguma coisa porquê uma folha de papel, no exemplo aquém:
No exemplo, temos à esquerda uma rede de pontos, definindo as posições onde se dará a repetição. As redes cristalinas definem essas posições no espaço. No primeiro caso, o círculo branco será repetido em cada posição da rede. No segundo caso, dois círculos, um branco e outro preto, serão repetidos. Na ilustração, os círculos brancos foram situados sobre os pontos da rede; poderia ser o contrário, mas qualquer que seja o posicionamento dos círculos em relação aos pontos da rede, a mesma repetição deve ser obedecida. A teoria é que os dois arranjos de círculos são distintos, porém gerados a partir de uma rede em generalidade de pontos. A diferença entre os dois arranjos reside naquilo que está sendo repetido. Essas “unidades” ou temas de repetição são designadas de “motivo” ou “base” e esta é a núcleo expressa pela “equação” da figura: Rede + Motivo = Cristal.
Os motivos podem ser formados por somente um corpúsculo ou grupo deles; quanto maior o número de átomos que integram o motivo, mais complexa será a estrutura do cristal. Assim, de concórdia com o material cristalino, temos motivos os mais diversos, ou seja, temos muitas estruturas cristalinas, mas exclusivamente 14 redes espaciais (padrões de repetição). Por exemplo, no sal de cozinha ou cloreto de sódio (formula química NaCl), o motivo...
é formado por um corpúsculo de sódio (Na) e outro de cloro (Cl) dispostos lado a lado, conforme figura aquém (“b”). A sua rede espacial é cúbica de face centrada (“a”). A célula unitária do NaCl, que representa o cristal (“d”), está ilustrada em (“c”).
Exploração de estruturas cristalinas através de recursos de visualização do CrystalWalk: (a) pontos de rede; (b) motivo; (c) célula unitária; (d) cristal. Manancial: Bardella (2016d) (adequado).
E por que tanto interesse em saber a estrutura cristalina de materiais? Muitas propriedades físicas e químicas dos materiais são influenciadas pela sua estrutura cristalina. Engenheiros (principalmente os engenheiros de materiais), físicos, químicos, biólogos e farmacêuticos são exemplos de profissionais que estudam estruturas cristalinas. Troço desse estudo depende da representação física ou gráfica dessas estruturas, e modelos físicos muito comuns e simples são feitos com bolas de isopor e varetas. Há programas dedicados à cristalografia (o estudo dos cristais), mas o modo porquê tais representações são criadas exige um conhecimento muito específico, que só estudiosos de cristalografia (os cristalógrafos) dominam: estudantes de engenharia e ciência dos materiais têm dificuldade em assimilar o texto correspondente. Outro paisagem relevante é que esses programas tradicionalmente possuem licenças de uso e distribuição comerciais restritivas, sendo distribuídos exclusivamente no formato binário sem o código-nascente e bastante custosos.
Com o espírito de oferecer a estudantes e professores uma escolha, pesquisadores do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), situado no campus da Universidade de São Paulo, se propuseram a desenvolver uma instrumento didática destinada à geração e à visualização de estruturas cristalinas num envolvente tridimensional interativo. De tecnologia totalmente pátrio, o projeto batizado de CrystalWalk preconizou os princípios do software livre, da acessibilidade e da democratização do conhecimento em seu processo de desenvolvimento, oferecendo ingressão irrestrito ao código-nascente e a liberdade para estudá-lo, modificá-lo e desenvolvê-lo.
Por meio do CW, o usuário cria estruturas cristalinas seguindo um processo passo a passo. Uma vez criada, o usuário pode interagir de várias maneiras com a imagem do cristal. Foram adotadas duas estratégias para facilitar o entendimento de estruturas cristalinas: a primeira consiste em diversos recursos de visualização e interação, de modo que o usuário tenha uma experiência multifacetada com as estruturas criadas; a segunda, denominada “narrativa didática”, é uma instrumento com a qual o usuário pode expressar sua originalidade didática por meio de sequências de visualização (vídeos) que podem ser compartilhadas, recurso muito útil para professores, por exemplo. Também foram incorporadas outras funcionalidades didáticas, tal porquê o suporte à interação avançada e às tecnologias de interface de Veras Virtual (Oculus Rift, Cardboard, Leap), suporte à sensação 3D e plataforma de publicação online. O CrystalWalk não precisa ser instalado no computador do usuário, tampouco requer qualquer cadastro para o ingressão, bastando digitar na barra de endereço do navegador a url http://cw.gl. Além de computadores desktop, o ingressão pode se dar também por meio de tablets e smartphones. Qualquer que seja o dispositivo, ele deverá ser harmonizável com os recursos HTML5/WebGL, porquê os de última geração.
O CW foi desenvolvido na tese de doutorado de Fernando Bardella, defendida em julho de 2016, orientada pelo Dr. Ricardo Mendes Leal Neto, do Meio de Ciência e Tecnologia de Materiais (CCTM), do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). O código-manancial do projeto é disponibilizado integralmente através do repositório colaborativo http://github.com/gvcm sob os termos da licença MIT.
O ingressão irrestrito ao conhecimento, a reprodutibilidade e a transparência são pilares fundamentais da atividade científica. Nesse sentido, o software livre é (ou deveria ser) peça precípuo dessa atividade nos dias atuais. Com o CrystalWalk, esperamos oferecer nossa imposto para construção de um contexto para o desenvolvimento da ciência cada vez mais alcançável e colaborativo.
* Fernando Bardella é pós-doutorando e pesquisador do IPEN; Ricardo Leal Neto é pesquisador e professor do IPEN-USP
Com informações de (Manadeira):Código Aberto
