Estabilidade do grafeno sob dopagem com manganês : análise de colisões dinâmicas e topologias de redes via inteligência artificial

Abstract

A dopagem do grafeno com metais de transição tem se consolidado como uma estraté gia altamente eficaz para modificar e controlar suas propriedades físicas e químicas, permitindo a personalização de características eletrônicas, catalíticas e magnéticas de acordo com a aplicação desejada. Nesse contexto, este estudo dedica-se à análise da estabilidade estrutural do grafeno dopado com manganês (Mn), empregando uma abordagem integrada que combina cálculos semiempíricos do calor de formação (Heat of Formation – HOF) com técnicas de aprendizado de máquina e o uso de descritores interpretáveis, capazes de fornecer insights físicos sobre os fatores que governam essa estabilidade. Para isso, foi construído um banco de dados cuidadosamente selecionado, contemplando uma ampla faixa de concentrações de dopantes e diferentes distâncias de correlação entre os átomos de manganês inseridos na rede do grafeno. Esse con junto de dados foi explorado por meio de diversos modelos de regressão, incluindo métodos lineares tradicionais, algoritmos baseados em árvores de decisão e modelos avançados de gradient boosting. Entre as abordagens testadas, o algoritmo XGBoost destacou-se por apresentar o melhor desempenho preditivo, evidenciando sua capaci dade de capturar relações não lineares complexas entre os descritores estruturais e o calor de formação do sistema. A análise dos resultados obtidos indica de forma clara que três parâmetros estruturais exercem influência dominante sobre o valor do HOF e, consequentemente, sobre a estabilidade do grafeno dopado com Mn. O primeiro deles é a distância entre os átomos de manganês, uma vez que separações Mn–Mn muito curtas tendem a introduzir tensões locais e interações desfavoráveis na rede cristalina. O segundo fator relevante é a concentração do dopante, sendo observado que níveis mais elevados de manganês contribuem para a desestabilização estrutural do material. Por fim, a manutenção da simetria local de seis membros, característica da rede hexagonal do grafeno, mostrou-se um elemento crucial para a estabilização do sistema. Em particular, verificou-se que a preservação da ordem hexagonal atua como um mecanismo estabilizador ao manter a integridade da estrutura intrínseca do grafeno, minimizando distorções na rede e reduzindo o impacto negativo da dopagem. Em contrapartida, a quebra dessa simetria local está associada a um aumento do calor de formação, refletindo uma menor estabilidade termodinâmica.