Programa interativo revela estrutura de cristais para estudantes

Alunos podem construir cristais passo a passo e ver sua estrutura em imagens tridimensionais

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Por meio do programa CrystalWalk, o usuário pode visualizar os cristais através de realidade virtual assistida, utilizando o teclado e o mouse do computador, com óculos 3-D ou com outras tecnologias que proporcionam diferentes níveis de imersão  – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Entender como os átomos dos elementos químicos formam cristais não é uma tarefa simples, principalmente para estudantes que aprendem sobre as propriedades dos materiais. Por essa razão, uma pesquisa do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), instituição associada à USP, criou o programa de computador CrystalWalk. Por meio dele, os alunos podem construir cristais passo a passo e ver sua estrutura em imagens tridimensionais. O CrystalWalk é um software livre que pode ser utilizado on-line e em dispositivos como computadores, tablets e smartphones.

“Cristais são sólidos onde os átomos estão distribuídos de modo organizado no espaço”, explica o professor Ricardo Leal Neto, do Grupo de Visualização Científica em Materiais do Ipen. “Um cristalógrafo estuda essa organização do ponto de vista das simetrias dos cristais, pois delas dependem suas propriedades químicas e físicas, como, por exemplo, as propriedades ópticas.”

Ricardo Leal Neto, orientador da pesquisa, aponta que o Crystal Walk é um software interativo que procura desafiar os estudantes a desvendar estruturas básicas de cristais, o que é importante do ponto de vista didático – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Devido à complexidade das simetrias, Leal Neto aponta que ensinar sobre cristais não é fácil. “As necessidades dos cristalógrafos e dos estudantes de engenharia de materiais são diferentes. Existem softwares cristalográficos que constroem cristais com base nas simetrias, a partir de 236 grupos espaciais”, conta. “Porém, nos livros didáticos sobre ciências dos materiais, as simetrias são reduzidas a um grupo de 14 redes espaciais, sem deixar claro que são diferentes das estruturas cristalinas, o que dificulta o aprendizado.”

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No CrystalWalk, os alunos participam do processo de construção dos cristais, passo a passo, com comandos que possibilitam escolher estruturas básicas e os átomos que entrarão em sua composição. “Ele foi construído com uma preocupação didática, sua interface foi projetada para criar empatia e reduzir complexidades apontadas por estudantes”, afirma o pesquisador Fernando Bardella, que desenvolveu o CrystalWalk em sua tese de doutorado. Segundo Leal Neto, orientador da pesquisa, que também teve a participação do pesquisador  André Montes Rodrigues, a abordagem é bastante interativa e demanda uma participação ativa do usuário em todo o processo. “Apesar de limitante e bastante restritivo para o uso de cristalógrafos, no CrystalWalk estudantes são desafiados a desvendar estruturas básicas de cristais, o que é considerado importante do ponto de vista didático”, destaca.

Também foram incorporadas funcionalidades didáticas e interativas para aumentar o alcance social da ferramenta, como a criação de narrativas didáticas sobre a construção de cristais e compartilhamento com outros dispositivos por meio de QR Code (código de reconhecimento). “O usuário pode ver as imagens por meio de realidade virtual assistida, utilizando o mouse e o teclado de um computador, ou com óculos 3D que fazem estereografia por cores, uma tecnologia mais acessível”, relata o pesquisador. A pesquisa também avaliou outras tecnologias que possibilitam diferentes níveis de imersão, como o Oculus Rift (óculos com controles manuais) e o Google Cardboard (óculos adaptados para telefones celulares).

Fernando Bardella, que desenvolveu o Crystal Walk, relata que o Grupo de Visualização Científica em Materiais pesquisa tecnologia experimental que projeta estruturas cristalinas virtuais em objetos reais – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Os pesquisadores destacam que o CrystalWalk tem uma proposta de acessibilidade e democratização, e por isso a portabilidade da aplicação é uma característica importante para que funcione no maior número de dispositivos possível, como desktops, tablets e smartphones. “Desenvolvido utilizando a plataforma WebGL/HTML5, o CrystalWalk possui código aberto, é gratuito e disponível on-line”, descreve Bardella. O site com o programa é http://gvcm.ipen.br/CrystalWalk.

Sala de aula

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Representação da célula unitária da estrutura da Fluorita (CaF2). Átomos verdes são de cálcio. Átomos de flúor foram coloridos de vermelho e azul para realçar as diferentes sub-redes cristalinas - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do Grafite. Átomos de carbono foram coloridos diferentemente de acordo com a sub-rede cristalina particular - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do Grafite. Átomos de carbono foram coloridos diferentemente de acordo com a sub-rede cristalina particular - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio). Átomos verdes e roxos de cloro e sódio, respectivamente - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio). Átomos verdes e roxos de cloro e sódio, respectivamente - Foto: Cedida pelo pesquisador
Imersão do usuário mediante o dispositivo "Leap Motion" e monitor 4K: deslocamento virtual na estrutura exibida a partir dos movimentos da mão - Foto: Cedida pelo pesquisador
Imersão do usuário mediante os dispositivos "Oculus Rift" e "Razer Hydra"- Foto: Cedida pelo pesquisador
Imersão do usuário mediante plataforma de computação holográfica “Microsoft Hololens” - Foto: Cedida pelo pesquisador
Alunos utilizando o CrystalWalk em sala de aula - Foto: Cedida pelo pesquisador
Alunos utilizando o CrystalWalk em sala de aula - Foto: Cedida pelo pesquisador
Teste de alunos durante o processo de desenvolvimento do CrystalWalk - Foto: Cedida pelo pesquisador
Teste de alunos durante o processo de desenvolvimento do CrystalWalk - Foto: Cedida pelo pesquisador
Teste de professores durante o processo de desenvolvimento do CrystalWalk - Foto: Cedida pelo pesquisador
Teste de professores durante o processo de desenvolvimento do CrystalWalk - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio) utilizando realidade misturada: Átomos virtuais vermelhos e azuis de cloro e sódio sobrepostos a modelo físico impresso em 3D - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio) utilizando realidade misturada: Átomos virtuais vermelhos e azuis de cloro e sódio sobrepostos a modelo físico impresso em 3D - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio) utilizando realidade misturada: Átomos virtuais vermelhos e azuis de cloro e sódio sobrepostos ao modelo físico do espaço intersticial impresso em 3D - Foto: Cedida pelo pesquisador
Representação da célula unitária da estrutura do NaCl (cloreto de sódio) utilizando realidade misturada: Representação de uma estrutura cristalina virtual em grande escala - Foto: Cedida pelo pesquisador

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O CrystalWalk já está sendo utilizado em sala de aula também em outras instituições. “Ele é um software de cristalografia para não cristalógrafos, e pode ser usado por alunos de graduação ou pós-graduação em engenharia de materiais, de química, física e geologia, entre outras áreas”, acrescenta Leal Neto. Alunos do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (Senai), por exemplo, utilizam o CrystalWalk no laboratório de manufatura aditiva, lançando mão de recursos da aplicação específicos para impressão 3D de modelos.

Atualmente, o grupo estuda o potencial imersivo em ambientes intermediários de virtualidade por meio da plataforma de computação holográfica Microsoft Hololens, tecnologia experimental de realidade mista capaz de projetar hologramas diretamente na retina do usuário. “Nesta plataforma, estruturas cristalinas virtuais são sobrepostas ao mundo real”, destaca Bardella. “Como este é um trabalho multidisciplinar, a ideia é buscar alunos de iniciação científica e mestrado de diversas áreas para participarem dos projetos de pesquisa do grupo.” A página do grupo de pesquisa é http://gvcm.ipen.br.

Mais informações: e-mail gvcm@ipen.br, com Fernando Bardella, André Montes Rodrigues e o professor Ricardo Leal Neto

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