Featured paper: Artificial Intelligence to develop new glasses.

[Paper: O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Predicting glass transition temperatures using neural networks. Daniel R.Cassar, André C.P.L.F. de Carvalho, Edgar D. Zanotto. Acta Materialia. Volume 159, 15 October 2018, Pages 249-256. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.08.022]

Artificial Intelligence to develop new glasses

Glasses, materials used in a wide variety of products, from a bottle of wine to a dental implant, can make new contributions to the quality of life of humans and animals, and to the preservation of the planet. In fact, so far, about 400,000 (4 x 105) glass formulas have been produced and published, while 1052 new glasses can still be developed using possible combinations of 80 friendly elements from the periodic table.

In order to deal with this myriad of possibilities, it is vital to count on the help of sophisticated computational tools that indicate the most promising chemical formulas in terms of their physicochemical properties. Recent tools use artificial intelligence, mainly algorithms of the so-called “machine learning.” After adequate training with known data, these tools can perform the initial screening that allows deciding in which formulas it is worth investing resources (time, money, efforts) to develop them in the laboratory.

box Tg ENThis was the direction chosen by a Brazilian team that brought together researchers from the Materials and Computing areas, and created a machine learning computer tool (an artificial neural network) that proved capable of effectively predicting the glass transition temperature (Tg), which is an important property of glass that depends on its composition [See box].

The work was reported in a scientific paper recently published in the journal Acta Materialia (impact factor 6,036, and 22% acceptance rate).

“The main contribution of the article was to demonstrate the possibility of predicting an important property of oxide glasses (in this case Tg) using an artificial neural network,” says Edgar Dutra Zanotto, professor at the Brazilian Federal University of São Carlos (UFSCar) and one of the paper’s three authors. “The only information needed to make such a prediction is the chemical composition of the material,” he adds.

Artificial neural networks are widely used, for example, for facial recognition in large facial image databases, but their application in Materials research is still scarce and incipient. In the area of vitreous materials, for example, the article by Zanotto and coauthors is the third paper that reports the use of this computational tool.

Artificial neural networks are distributed computing systems made up of  data units (equivalent to simplified neurons) interconnected through connections that are equivalent to synapses. They learn through learning algorithms. Working together, the “neurons” can process large volumes of data and make predictions, but for this the network needs to be trained based on concrete examples.

Zanotto’s approach to artificial neural networks began about two years ago when he thought of looking for artificial intelligence tools to facilitate the search for new glass formulas. The idea attracted great interest from Daniel Roberto Cassar, postdoctoral fellow at the Laboratory of Glassy Materials (LaMaV) of the Department of Materials Engineering (DEMa) of UFSCar, coordinated by Zanotto. Cassar then participated in courses and lectures on neural networks and began to venture into the development of neural networks applied to the study of glasses.

About a year ago, these materials scientists felt the need to rely on an artificial intelligence specialist and began collaboration with Professor André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho, a professor at the Institute of Mathematical and Computer Sciences (ICMC) of the University of São Paulo (USP) at São Carlos. Thus, the research ended up involving a series of postdoctoral research fellows from both groups, all located in the city of São Carlos.

Photo on the right: Professor André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho (second from left) at a laboratory of ICMC - USP São Carlos, surrounded by grant holders who are doing research on artificial intelligence tools to predict glass properties. From the left side: Bruno de Almeida Pimentel (postdoctoral fellow), Edesio Alcobaça Neto (doctoral student) and Saulo Martiello Mastelini (doctoral student).
Photo on the left: Professor Edgar Zanotto and postdoctoral research fellow Daniel Cassar. Photo on the right: Professor André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho (second from left) at a laboratory of ICMC – USP São Carlos, surrounded by fellowship holders who are doing research on artificial intelligence tools to predict glass properties. From the left side: Bruno de Almeida Pimentel (postdoctoral fellow), Edesio Alcobaça Neto (doctoral student) and Saulo Martiello Mastelini (doctoral student).

The team designed and implemented an artificial neural network, which was trained so that it could correlate Tg and chemical composition. The training was performed with Tg data and the composition of about 45,000 glasses based on the combination of 45 chemical elements. Each of the formulas used in the training contained at least 3 elements and a maximum of 21 elements. All the data were extracted from a glassy material database that collects experimental data extracted from the scientific literature.

Glass transition temperature (Tg) predicted by the neural network versus the experimental value reported in the literature. Graph constructed considering 5,515 experimental points that were not used for neural network training. The straight line shows the identity where the network prediction is equal to the reported value. The insertion shows the distribution of the relative error of the prediction (in percentage).
Glass transition temperature (Tg) predicted by the neural network versus the experimental value reported in the literature. Graph constructed considering 5,515 experimental points that were not used for neural network training. The straight line shows the identity where the network prediction is equal to the reported value. The insertion shows the distribution of the relative error of the prediction (in percentage).

After training the network, the scientists tested its ability to predict Tg. This was done by informing the network the chemical composition of another 5,515 glasses, also present in the database, but that had not been used in the training. When comparing the values predicted by the neural network with the values obtained by means of experimental methods, present in the database, the scientific team was positively surprised. The artificial neural network performed very well in the responses, erring at most 6% up or down in temperature values in 90% of the tests – a level of uncertainty very similar to that exhibited by the experimental studies. In addition, the degree of precision of the results has been shown to be independent of the amount of chemical elements in the glass composition, which is important when thinking about probing materials with extensive chemical formulas.

The neural network of São Carlos is poised to help scientists and materials engineers worldwide to quickly estimate the Tg of any composition glass, making research and development of new glass much faster, easier and more economical. In addition, the study conducted by Cassar, Carvalho and Zanotto shows a path that can be followed to develop new neural networks applied to Materials Science and Engineering. “This result opens a wide path for similar studies aimed at predicting almost all the physico-chemical properties of glass based on their composition!” says Zanotto.

In fact, in the groups of professors Zanotto and Carvalho, a little more than a year after the beginning of the collaboration, a series of works on the subject is now underway. These studies shall generate: new algorithms to further improve neural networks, new networks trained to predict other properties (refractive index, modulus of elasticity, liquidus temperature, etc.), more knowledge about the performance of machine learning algorithms, new scientific articles and software tools to be used by the community.

The work that originated the article published in Acta Materialia was funded by the São Paulo State Research Foundation FAPESP, through the Research, Innovation and Dissemination Centers CERTEV (Vitreous Materials) and CeMEAI (Applied Mathematical Sciences). The research also received funding from the Nippon Sheet Glass Overseas Grant (Japan).

Co-founder of B-MRS awarded the “Global Ambassador” of the American Ceramic Society.

zanotto acersEdgar Dutra Zanotto, one of the founders of B-MRS, was awarded the title of “Global Ambassador” by the American Ceramic Society (ACerS). Zanotto is a Professor of the Department of Materials Engineering (DEMa) at the Brazilian Federal University of São Carlos (UFSCar). ACerS is one of the most important and traditional scientific societies in the field of Materials Science and Engineering and will complete its centenary next year. The title of “Global Ambassador” recognizes researchers who demonstrate leadership and exceptional service to the worldwide ceramic and glass research community.

On the occasion of the ceremony, held in Pittsburg (USA) in October of this year, Zanotto gave the prestigious lecture “Cooper Lecture” on “The ultimate fate of glass”.

A summary of the main subject of the talk can be seen in a 3-minute video:  Glass transition, a theatrical version.

(Português) Edgar Zanotto (UFSCar), cofundador da SBPMat, ministra palestra memorial no centenário da Society of Glass Technology.

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História da SBPMat: concepção e gestação.

Agradecimentos ao professor Zanotto, coordenador do workshop junto ao professor Solórzano. (Arquivo pessoal de Edgar Zanotto).

Nas lembranças do professor Edgar Dutra Zanotto, um dos fundadores da Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat), um marco importante no processo de criação da SBPMat foi o evento “Frontiers in Materials Research, Technology and Education. A Workshop to Advance Pan-American Collaboration”, ocorrido entre 7 e 10 de junho de 1998 no Rio de Janeiro. O evento foi organizado pela National Science Foundation (NSF) dos Estados Unidos, conjuntamente com instituições ligadas à ciência e tecnologia da Argentina, Brasil (CNPq, FINEP, MCT e PUC-Rio) e Chile, visando impulsionar o progresso na área de Materiais por meio de colaborações, não apenas entre diversas áreas do conhecimento, mas também entre os países do continente americano e entre a academia e a indústria. Os chairmen brasileiros do evento foram o próprio Zanotto (professor da UFSCar, formado em Engenharia de Materiais com mestrado em Física e doutorado em Tecnologia de Vidros) e o professor Guillermo Solórzano (professor da PUC-Rio com formação voltada à Engenharia de Materiais-Metalurgia).

O workshop foi uma oportunidade para discussões sobre temas já presentes no cenário brasileiro de pesquisa em Materiais: a fraca interação com pesquisadores latino e norte-americanos, a necessidade de interdisciplinaridade, a pouca interação existente entre empresas e universidades, a inexistência de uma revista científica forte e de uma sociedade científica interdisciplinar sobre Materiais.

Participantes do workshop panamericano, que foi um marco no processo que levou à fundação da SBPMat. (Foto do arquivo pessoal de Guillermo Solórzano)

De acordo com um documento de novembro de 2000 assinado por Zanotto e Solórzano, no workshop panamericano ficou evidente que a comunidade brasileira de Materiais necessitava uma sociedade científica organizada e que a representasse.  “A própria comunidade internacional da área tem manifestado surpresa com a inexistência deste tipo de sociedade no Brasil”, diz o documento. De fato, a Materials Research Society dos Estados Unidos (MRS), que serviu como modelo à SBPMat para dar os primeiros passos, tinha sido fundada em 1973. Outro exemplo era a Asociación Argentina de Materiales, fundada em 1993.

Esse mesmo documento afirma que “tem crescido progressivamente na comunidade brasileira o contingente de pesquisadores de Materiais”.  Nas lembranças do professor Elson Longo, na época “as publicações em Materiais dos grupos principais já eram relevantes e ligadas a revistas internacionais especializadas de alto nível, mas a criação da SBPMat incrementou ainda mais esse tipo de publicação ”. Longo, químico com mestrado e doutorado em Físico-Química e então professor da UFSCar, participou da gênese da SBPMat dando apoio e fazendo ampla propaganda da importância da criação da sociedade para o desenvolvimento da pesquisa no Brasil.  Num segundo momento, assumiu a direção da sociedade junto ao professor Roberto Mendonça Faria, e presidiu a SBPMat de 2004 a 2005.

O segundo a partir da esquerda na fila da frente é o professor Solórzano, um dos coordenadores do evento. (Foto do arquivo pessoal de Guillermo Solórzano)

O físico Aldo Craievich (USP) comenta que, no ano 2000, já havia um importante número de grupos de pesquisa em Materiais, o qual foi aumentando durante a última década. “Os pesquisadores que realizavam pesquisas básicas no início deste século já publicavam principalmente em revistas internacionais, enquanto os pesquisadores em áreas tecnológicas/industriais publicavam uma fração importante de seus trabalhos em revistas nacionais, tais como a Revista da Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração (ABM) e os Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais (CBECiMat),  em muitos casos em português”, diz o professor Craievich.

O professor Sergio Machado Rezende (UFPE), engenheiro eletrônico com mestrado e doutorado em Física, que também apoiou desde o início a iniciativa de fundação da SBPMat, recorda que “até a criação da sociedade, na engenharia, a área de Materiais ficava no departamento de Metalurgia das universidades, porque as engenharias tradicionais (civil, mecânica, eletrônica) não tinham muita pesquisa em Materiais”.

Em outubro do mesmo ano do workshop pan-americano (1998), foi publicada a primeira edição da revista científica Materials Research – Revista Ibero-Americana de Materiais (ISSN 1516-1439). “É interessante notar que esse periódico de natureza interdisciplinar também surgiu de discussões realizadas mais ou menos na mesma época, na década de 1990, nas assembleias do CBECiMat”, comenta o professor Zanotto, que foi o primeiro editor-chefe desse periódico e permaneceu nesse cargo durante treze anos, até outubro de 2010. O CBECiMat vinha sendo organizado desde 1974 com o apoio da ABM, da Associação Brasileira de Cerâmica (ABC) e da Associação Brasileira de Polímeros (ABPol), associações das quais participavam pesquisadores, principalmente engenheiros, e entidades de classe ligadas à indústria. Essas três associações foram as fundadoras da revista Materials Research, que aos poucos passou a congregar também quatro sociedades parceiras: a Sociedade Brasileira de Crescimento de Cristais (SBCC), a Sociedade Brasileira de Cristalografia (SBCr), a Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise (SBMM) e a própria SBPMat.

Outros eventos que reuniam uma parte dos pesquisadores de Materiais brasileiros eram as reuniões que a MRS organizava duas vezes por ano nos Estados Unidos.  “Muitos físicos já participavam naquela época desses encontros da MRS”, lembra o professor Rezende.

Apresentação da proposta à comunidade brasileira

No início do ano 2000, após um estágio nos Estados Unidos, no qual participara de um encontro da MRS, Guillermo Solórzano deu início aos esforços realizados para fundar uma sociedade brasileira de pesquisa em Materiais. “Nesse momento ele iniciou conversas com pesquisadores brasileiros que poderiam se interessar por essa empreitada”, diz Edgar Zanotto. O professor Solórzano é, de fato, lembrado por Zanotto como “nucleador da SBPMat” e por Rezende como “principal articulador da ideia da criação da SBPMat”. Aldo Craievich diz ainda que Solórzano foi “o pesquisador que fez a primeira proposta pública e mais batalhou durante a fase que conduziu, desde as conversas preliminares à fundação da SBPMat”.

Edgar Zanotto foi um dos pesquisadores procurados por Solórzano. “Quando retornou dos EUA com essa ideia, Guillermo me consultou; eu imediatamente concordei com a proposta e então ele solicitou que eu convidasse pesquisadores renomados da área de Materiais, de São Paulo e São Carlos, para reuniões presenciais sobre a proposta. Ele também pediu que eu realizasse diligências junto à diretoria e a comunidade da Associação Brasileira de Cerâmica”, relata Zanotto.

Sergio Rezende foi outro dos pesquisadores procurados por Solórzano. “Eu me lembro que o Guillermo me disse que ele iria apresentar a proposta da SBPMat numa reunião de Física da Matéria Condensada, mas que precisava do apoio de físicos”. Imediatamente, Rezende disse que via a iniciativa com bons olhos e que considerava importante haver participação de físicos nela, porque a área de Materiais nos países mais desenvolvidos era interdisciplinar já naquela época, envolvendo engenheiros, físicos, químicos e outros cientistas.

Zanotto comenta que o envolvimento de físicos e químicos renomados era um claro objetivo dos pesquisadores que participaram da gestação da SBPMat. “O apoio e incentivo desses físicos e químicos, que gostaram da idéia, viabilizou a efetiva criação da SBPMat”, conclui Zanotto.

Além da apresentação no Encontro de Física da Matéria Condensada lembrada pelo professor Rezende, houve, pelo menos, mais dez reuniões realizadas ao longo do ano 2000 em cidades das regiões Sul, Sudeste e Nordeste (veja Anexo 1). De acordo com o professor Zanotto, “as cidades foram escolhidas com base no número de pesquisadores locais da área de Materiais e, várias vezes, aproveitado a realização de congressos científicos relacionados a Materiais”.

Nas recordações do professor Longo, nesse ano de 2000 houve uma participação muito forte do Instituto de Física da USP e dos Departamentos de Química, Física e Engenharia de Materiais da UFSCar. “Mobilizados, eles deram uma consistência maior para a sociedade que estava nascendo. A partir daí houve uma participação da nossa comunidade como um todo, para viabilizar a nova sociedade”, lembra.

A respeito do conteúdo das reuniões realizadas, Zanotto comenta: “Se recordo bem, uma das principais conclusões foi que havia pouca interação no Brasil entre engenheiros, físicos e químicos e que urgia fomentar a interdisciplinaridade – característica necessária para o desenvolvimento da pesquisa em materiais!”.

Aldo Craievich, que participou de várias dessas reuniões e eventos e no intercâmbio de mensagens eletrônicas, sempre apoiando a criação da SBPMat, acrescenta que, nessa fase de gestação da sociedade, a ideia era criar uma entidade de características similares às da MRS dos Estados Unidos.  “A principal função da nova associação seria a de organizar encontros anuais compostos de simpósios temáticos, como os da MRS. Ponderou-se que esses encontros deveriam ter um forte caráter internacional, com ampla participação de pesquisadores estrangeiros, e utilizando preferentemente o idioma inglês nas apresentações e no livro de resumos”, comenta. O professor Craievich acrescenta ainda que, na época, definiu-se que a SBPMat seria uma sociedade de forte vocação interdisciplinar (incluindo físicos, químicos e engenheiros de Materiais), com importante inserção na comunidade internacional de Materiais e que abrangeria tanto as pesquisas básicas quanto as aplicadas e as de interesse tecnológico.

Dificuldades e resistências

Em decorrência dessas reuniões, houve centenas de adesões à iniciativa de fundar a SBPMat, feitas pelo correio eletrônico. O documento de novembro de 2000 registra mais de 300 e-mails de pré-afiliação à sociedade em gestação ou de apoio à iniciativa, e apenas dois ou três apresentando críticas.

Entretanto, resistências à criação de uma sociedade brasileira interdisciplinar de pesquisa em Materiais existiram. Edgar Zanotto se lembra de uma acirrada oposição por parte de pesquisadores que consideravam que não haveria espaço para mais uma associação voltada a Materiais. “Muitos colegas que participaram das reuniões de apresentação da proposta eram membros ou haviam passado pela diretoria das associações brasileiras de cerâmica (ABC), metalurgia (ABM) e polímeros (ABPol), as quais, por sua vez, já realizavam seus respectivos congressos anuais; nem sempre com audiência significativa”. Alem disso, acrescenta o professor, ao menos um congresso de caráter interdisciplinar já vinha sendo organizado bienalmente pelo mesmo pessoal daquelas três sociedades, o acima citado CBECiMat.

Conforme menciona o professor Craievich, a coexistência de congressos relacionados com Materiais acontece também nos Estados Unidos, onde, além dos eventos da MRS, existem os organizados pela TMS (The Minerals, Metals & Materials Society). “Essas duas séries de reuniões congregam anualmente vários milhares de participantes e não parece que haja uma superposição ou conflito entre elas”, diz o professor. “Me parece que esse mesmo comentário se aplica ao que acontece no Brasil, onde coexistem as reuniões periódicas da SBPMat, da ABM e o CBECiMat, além das reuniões mais específicas, por exemplo, sobre materiais cerâmicos e polímeros”, completa.

O professor Rezende lembra-se da oposição enfrentada entre os físicos. “Infelizmente, sempre que vem uma coisa nova tem certas resistências. Alguns físicos diziam que haveria uma dispersão da área de Física, a qual já tinha a Matéria Condensada”, comenta.  Resumindo, Rezende conclui que uma minoria dos físicos era resistente à criação da sociedade e uma boa parte não se envolveu muito no início, mas que um envolvimento maior foi surgindo gradualmente, principalmente por parte dos pesquisadores da área de Matéria Condensada e os físicos experimentais. “Hoje os físicos têm uma participação grande na SBPMat. E essa participação com a engenharia é muito importante”, afirma o professor.

Para o professor Longo, o maior desafio para criação da sociedade foi a falta de financiamento para o deslocamento dos organizadores. “Via de regra, eles utilizaram verba pessoal para estruturar a sociedade”, diz.

Rumo aos estatutos

Apesar dessas dificuldades e resistências, no final do ano 2000 a criação da SBPMat contava com adesão e força motriz suficientes para avançar mais um passo, registrado no documento de novembro desse ano: a formação de  uma comissão interdisciplinar de Materiais, constituída por pesquisadores “de liderança e expressão”, “representativa das diversas regiões do país e das diferentes áreas de pesquisa em Materiais, incorporando engenheiros, físicos e químicos” dispostos a colaborar na empreitada (veja Anexo 2). O documento deixava aberta a possibilidade de participação a outros pesquisadores.

Essa comissão elaboraria os estatutos da futura SBPMat, que seria finalmente instituída numa reunião de junho de 2001 e formalmente constituída em janeiro de 2002.


Anexo 1. As reuniões de apresentação da proposta.

Por iniciativa do professor Guillermo Solórzano, a proposta de criação da SBPMat foi apresentada numa série de reuniões e eventos ao longo de 2000. As apresentações ocorreram graças a ajuda de muitos pesquisadores que permitiram articulá-las e contaram com a presença de Solórzano e seus colaboradores. Segue a relação das reuniões das quais se tem registro em documentos da SBPMat e na lembrança de seus criadores:

  • em São Lourenço (MG), durante o Encontro de Física da Matéria Condensada, no mês de maio;
  • na PUC-Rio (Rio de Janeiro, RJ) no dia 28 de agosto;
  • na UFPE (Recife, PE), também em 28 de agosto;
  • no IPEN (São Paulo, SP) no dia 30 ou 31 de agosto;
  • na UFMG (Belo Horizonte, MG) no dia 1º de setembro;
  • em Canela (RS), em 7 de setembro, durante o congresso Ion Beam Modification of Materials;
  • na UFSC (Florianópolis, SC) no dia 11 de setembro;
  • em Joinville (SC), no dia 12 ou 13 de setembro, durante o SULMAT (Congresso em Ciência de Materiais da região Sul);
  • na UFSCar (São Carlos, SP) em 22 de setembro;
  • na UFPR (Curitiba, PR) em 26 de novembro;
  • em Águas de São Pedro (SP), em 4 de dezembro, durante o CBECiMat.

Anexo 2. Participantes da Comissão Interdisciplinar de Materiais, de acordo com documento de novembro de 2000. Essa comissão elaborou os estatutos da futura SBPMat.

  • Aldo Felix Craievich (USP)
  • Aloísio Nelmo Klein (UFSC)
  • Angelo Fernando Padilha (USP)
  • Edgar Dutra Zanotto (UFSCar)
  • Elisa Maria Baggio Saitovitch (CBPF)
  • Elson Longo da Silva (UFSCar)
  • Evando Mirra de Paula e Silva (CNPq)
  • Fernanda Margarida Barbosa Coutinho (IMA – UFRJ)
  • Fernando Galembeck (UNICAMP)
  • Fernando Lázaro Freire Junior (PUC-Rio)
  • Ivan Guillermo Solórzano-Naranjo (PUC-Rio)
  • José Antonio Eiras (UFSCar)
  • José Arana Varela (UNESP)
  • Luiz Henrique de Almeida (UFRJ)
  • Moni Behar (UFRGS)
  • Renato Figueiredo Jardim (USP)
  • Roberto Villas Bôas (CETEM)
  • Sergio Machado Rezende (UFPE)
  • Wander Luiz Vasconcelos (UFMG)


Nota do Boletim da SBPMat. Por questões de agenda, Guillermo Solórzano, que no momento da reportagem exerce o cargo de Ministro Coordinador del Conocimiento y Talento Humano no Equador, não pôde participar diretamente desta matéria.

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