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Tipo: Dissertação
Título: Predição de propriedades mecânicas do biovidro através de dinâmica molecular e de inteligência artificial
Título em inglês: Prediction of mechanical properties of bioglass through molecular dynamics and artificial intelligence
Autor(es): Alencar, Victor Freire Sydrião de Alencar
Orientador: Lucena, Sebastião Mardônio Pereira de
Coorientador: Oliveira, José Carlos Alexandre
Palavras-chave em português: Dinâmica molecular;Campo de força;Aprendizado do computador;Materiais - Propriedades mecânicas
Palavras-chave em inglês: Molecular dynamics;Force field;Machine learning;Materials - Mechanical properties
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Data do documento: 2025
Citação: ALENCAR, Victor Freire Sydrião de. Predição de propriedades mecânicas do biovidro através de dinâmica molecular e de inteligência artificial. 2024. 145 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: Nos últimos anos, houve um aumento significativo nas pesquisas relacionadas às fases vítreas com propriedades bioativas. Na maioria das aplicações, é imperativo que o material atenda a um desempenho mecânico mínimo. Os avanços nos métodos e no hardware de Simulação Molecular possibilitaram o desenvolvimento de modelos preditivos para a relação entre estrutura e propriedade, os quais conseguem reproduzir de maneira fidedigna os resultados de testes experimentais. Esses modelos de simulação molecular têm o potencial de fornecer dados experimentais em áreas críticas do domínio composicional, informações que não estão disponíveis na literatura convencional e que são essenciais para o treinamento de modelos de redes neurais. Neste estudo específico, utilizamos simulações de Dinâmica Molecular (DM) para obter as estruturas e o campo de força PMMCS, os quais demonstraram ser compatíveis na simulação de biovidro. As concentrações dos óxidos variaram, incluindo P 2 O 5 de 4% a 7%, SiO 2 de 30% a 70%, e CaO e Na 2 O de 0% a 66%, com um aumento de 4% em massa. Os parâmetros de validação estrutural foram avaliados com base no RDF (Radial Distribution Function) das estruturas para o comprimento de Si-O, variando de 1,60 a 1,611 angstrom (Å), valores semelhantes aos obtidos experimentalmente. Ao comparar os resultados da DM com a literatura do biovidro 45S5, observamos um pequeno desvio, sendo 57,2 GPa e 54,8 GPa, respectivamente, indicando a segurança do campo de força utilizado. A variação do óxido de sódio mostrou impacto negativo no módulo de Young, enquanto os óxidos de silício e cálcio apresentaram uma variação inversamente proporcional, destacando a relação direta entre esses elementos. No entanto, a avaliação do óxido de fósforo não foi conclusiva devido à sua pequena variação. Para a criação de algoritmos preditivos, recorremos a modelos como Regressão Polinomial, XGBoost, Random Forest e Rede Neural Artificial. Implementamos a técnica de validação cruzada aninhada, ajustando os hiperparâmetros do treinamento por meio de uma série de splits de teste/validação e treinamento. A utilização de aprendizado de máquina demonstrou ser mais eficaz do que o método preditivo Makishima-Makenzie, superando 0,92 no coeficiente de determinação ao comparar com os valores experimentais, enquanto o método convencional apresenta cerca de 0,751.
Abstract: Recently, research into glass phases with bioactive properties has increased, and in most applications, the material must have minimal mechanical performance. Advances in molecular simulation methods and hardware have enabled the creation of predictive models of the structure-property relationship that faithfully reproduce experimental tests. These molecular simulation models will allow experimental data to be obtained in critical areas of the compositional domain that are not available in the literature and are necessary for training the neural network model. In this study, we applied Molecular Dynamics (MD) simulations to obtain the PMMCS structures and force fields that have compatibility in the simulation of bioglass. The concentrations of the oxides vary, P2O5 from 4% to 7%, SiO2 from 30% to 70%, and CaO and Na2O from 0% to 66%, with a 4% increase in mass. The structure validation parameters were evaluated based on the RDF of the structures for the Si-O length, which ranged from 1.6 to 1.611 Angstrom, values similar to those of the experimental structures. The DM and literature of the 45S5 bioglass show a small deviation, being 57.2 Gpa and 54.8 Gpa respectively, which shows that the force field used is safe. The variation in sodium oxide has a negative impact on Young's modulus, while silicon and calcium oxides show an inversely proportional variation, and this variation is directly related. However, phosphorus oxide does not have a clear evaluation due to its small variation. Thus, in the use of predictive algorithms using models, in this case polynomial regression, XGBoost, random forest and artificial neural networks, the nested cross- validation technique was implemented, in which the training hyperparameters needed to be adjusted, making use of a series of test/validation and training splits. The use of machine learning proved to be more effective than the Makishima-Makenzie predictive method, which, compared to experimental values, has a coefficient of determination of around 0.751, while machine learning has a coefficient of over 0.92.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85984
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/0236921796505902
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-8379-2098
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/1829773217661534
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-9137-7481
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/2534664728783506
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEQ - Dissertações defendidas na UFC

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