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Dissertações |
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LUCIELLY DE SOUZA ALVES
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Espalhamento de luz por materiais com simetria PT
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Orientador : PAULO CESAR AGUIAR BRANDAO FILHO
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MEMBROS DA BANCA :
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ALEX EMANUEL BARROS COSTA
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ANDRE DE LIMA MOURA
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PAULO CESAR AGUIAR BRANDAO FILHO
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Data: 10/02/2023
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O objetivo da dissertação é analisar, com um certo nível de detalhe, o espalhamento de radiação eletromagnética monocromática por um material dielétrico isotrópico e linear com simetria $\mathcal{PT}$ na aproximação de Born. Estudar a luz espalhada por um material específico pode nos retornar informações úteis sobre a natureza do material. Assim, verificamos como o espalhamento da luz se comporta em um material que apresenta simetria $\mathcal{PT}$ e como a presença de ganho e perda dentro do material pode afetar a densidade espectral do campo espalhado. A densidade espectral é uma quantidade que pode ser medida diretamente no laboratório. Verificamos que, para certas distribuições de ganho e perda, a direção do campo espalhado pode variar sem alterar a geometria do espalhador. O caráter não-Hermitiano do índice de refração do espalhador também se reflete no padrão de intensidade espalhada, que agora passa a ser assimétrico com relação ao ângulo de espalhamento.
Iniciamos no capítulo 1 com uma breve motivação sobre o desenvolvimento do trabalho. O capitulo 2 introduz os conceitos fundamentais da simetria $\mathcal{PT}$ e suas respectivas aplicações na área da mecânica quântica, discutindo as propriedades mais importantes que descrevem essa simetria. Faremos também a conexão de tal simetria com o campo de pesquisa da óptica. O capítulo 3 apresenta a teoria clássica do espalhamento e a equação da onda satisfeita pelo campo elétrico na sua aproximação escalar, partindo do conjunto das equações de Maxwell. Será exposta também a teoria formal do espalhamento para campos escalares e a representação de espalhamento múltiplo com a série de Born. Discutiremos como são dadas tais aproximações e suas aplicações de interesse para o nosso trabalho. No capítulo 4, trataremos do espalhamento da luz por um material $\mathcal{PT}$-simétrico na primeira aproximação de Born. Nosso trabalho conclui que as direções do campo espalhado podem sofrer mudanças dependendo da presença de ganho e perda no material espalhador. Por fim, no capitulo 5, as conclusões serão discutidas bem como algumas perspectivas futuras.
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The objective of this dissertation is to analyze, with a certain level of detail, the scattering of monochromatic electromagnetic radiation by an isotropic and linear dielectric material having $\mathcal{PT}$ symmetry in the Born approximation. Studying the light scattered by a specific material can give us useful information about the nature of the material. Thus, we verify how light scattering behaves in a material that has $\mathcal{PT}$ symmetry and how the presence of gain and loss within the material can affect the spectral density of the scattered field. Spectral density is a quantity that can be measured directly in the laboratory. We verified that, for certain gain and loss distributions, the scattered field direction can be varied without changing the scatterer geometry. The non-Hermitian character of the refractive index of the scatterer is also reflected in the scattered intensity pattern, which now becomes asymmetric with respect to the scattering angle.
We begin in chapter 1 with a brief motivation about the development of the work. Chapter 2 presents the fundamental concepts of $\mathcal{PT}$ symmetry and their respective applications in the field of quantum mechanics, discussing the most important properties that describe this symmetry. We will also make the connection of such symmetry with the research field of optics. Chapter 3 presents the classical theory of scattering and the wave equation satisfied by the electric field in the scalar approximation, starting from the set of Maxwell's equations. The formal theory of scattering for scalar fields and the representation of multiple scattering with the Born series will also be exposed. We will discuss how such approximations are given and their applications of interest to our work. In chapter 4, we will deal with the scattering of light by a $\mathcal{PT}$-symmetric material in the first Born approximation. Our main conclusion is that the scattered field directions can undergo changes depending on the presence of gain and loss in the scattering material. Finally, in chapter 5, we discuss our conclusions and some future perspectives.
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ANA MARIA TORRES DA SILVA
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Ensaios de Imunoaglutinação em Chips de Acustofluídica
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Orientador : GLAUBER JOSE FERREIRA TOMAZ DA SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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GLAUBER JOSE FERREIRA TOMAZ DA SILVA
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JOSE PEREIRA LEAO NETO
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MAGNA SUZANA ALEXANDRE MOREIRA
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Data: 19/04/2023
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Neste trabalho, estudamos os efeitos da acustofluídica em ensaios de imunoaglutinação por meio da reação de aglutinação de partículas de látex revestidas com Gama-Globulina anti- PCR. Utilizamos um chip de acustofluídica composto por microcanais e uma microcavidade acústica, na qual as partículas são levitadas e aglomeradas nas regiões centrais devido à força de radiação. Realizamos teste de aglutinação no chip de acustofluídica utilizando o kit denominado BIOLÁTEX PCR para caracterização do chip. Inicialmente, investigamos os padrões de aglutinação formados em uma lâmina por meio de microscopia óptica. Em seguida, analisamos como esses padrões se comportavam dentro da microcavidade acústica, investigando as reações entre antígenos e anticorpos e as condições necessárias para essa reação, além de avaliar o chip de acustofluídica em parâmetros de repetibilidade, reprodutibilidade, limite de detecção e sensibilidade. Demonstramos que os sistemas acustofluídicos têm um grande potencial para análises clínicas, especialmente para a reação entre antígenos e anticorpos, aumentando a interação entre esses componentes. Observou- se, por meio do teste de aglutinação no chip, uma diminuição significativa no tempo de reação e uma maior estabilidade dos aglutinados dentro da microcavidade. Apresentou um limite de detecção correspondente a 187,5 pg/μL, o que é aproximadamente 32 vezes superior em relação ao teste convencional. Isso possibilita uma maior sensibilidade do teste. O chip de acustofluídica possui características únicas que permitem sua aplicação nas ciências da vida, na área de diagnósticos clínicos, oferecendo resultados com grande potencial.
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In this work, we studied the effects of acoustofluidics on immunagglutination assays through the particle agglutination reaction of latex particles coated with anti-PCR gamma globulin. We used an acoustofluidic chip composed of microchannels and an acoustic microcavity, in which the particles are levitated and clustered in the central regions due to radiation force. We performed agglutination tests on the acoustofluidic chip using the BIOLATEX PCR kit to characterize the chip. Initially, we investigated the agglutination patterns formed on a slide by optical microscopy. Then, we analyzed how these patterns behaved within the acoustic microcavity, investigating the reactions between antigens and antibodies and the conditions necessary for this reaction, as well as evaluating the acoustofluidic chip in terms of repeatability, reproducibility, detection limit, and sensitivity. We demonstrated that acoustofluidic systems have great potential for clinical analyses, especially for the reaction between antigens and antibodies, increasing the interaction between these components. A significant decrease in reaction time and greater stability of agglutinates within the microcavity were observed through the agglutination test on the chip. The detection limit was found to be 187,5 pg/μL, which is approximately 32 times higher than that of the conventional test, enabling greater sensitivity of the test. The acoustofluidic chip has unique characteristics that allow its application in life sciences, particularly in the field of clinical diagnostics, offering results with great potential.
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DENISSON GUTEMBERG PEREIRA DA SILVA
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Estudo do Sinergismo de Nanocristais de Dióxido de Titânio Dopados com Níquel com Óxido de Grafeno e sua Aplicação em Sensores para Detecção de Acido Ascórbico.
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Orientador : ANIELLE CHRISTINE ALMEIDA SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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ANIELLE CHRISTINE ALMEIDA SILVA
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EDUARDO JORGE DA SILVA FONSECA
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DIOGENES MENESES DOS SANTOS
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Data: 30/06/2023
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O ácido ascórbico, conhecido como vitamina C, desempenha um papel crucial na saúde humana, sendo necessário desenvolver sensores sensíveis e seletivos para sua detecção em amostras complexas. A fim de potencializar as respostas elétricas e a interação com biomoléculas, os nanomateriais são incorporados na superfície de sensores. Os nanocristais de dióxido de titânio (TiO2) e óxido de grafeno (GO) apresentam propriedades interessantes, como alta área superficial, atividade catalíıtica e capacidade de amplificação de sinais elétricos, sendo excelentes candidatos em sensores eletroquímicos. Assim, o seu sinergismo pode potencializar essas propriedades. Diante disso, neste trabalho foi investigado o sinergismo entre nanocristais de TiO2 dopados com níquel (Ni) com GO e sua aplicação na detecção de ácido ascórbico. As propriedades ópticas, estruturais e vibracionais das amostras foram investigadas utilizando as técnicas de espectroscopia de absorção óptica (AO), difração de raios-X (DRX), espectroscopia Raman e Voltametria cíclica (VC). Nos espectros de AO confirmou a absorção no ultravioleta dos nanocristais de TiO2 e que com a dopagem alterou a band gap. Os dados de DRX e Raman confirmaram a presença da fase anatase dos nanocristais de TiO2, as distorções da rede com a dopagem e a formação do GO. Nos resultados de voltametria e aplicação em sensores para detecção de ácido ascórbico, confirmou que os nanocristais de TiO2 dopados com Ni e GO apresentaram uma alta sensibilidade e seletividade na detecção de ácido ascórbico, com resposta linear na faixa de concentração, potencializando a sensibilidade do sensor. O efeito sinérgico dos dois nanomateriais potencializou ainda mais o sinal de detecção. Portanto, esses resultados contribuem para o avanço do conhecimento na área de nanomateriais e sua aplicação em sistemas de detecção sensíveis e seletivos de compostos bioativos, como ácido ascórbico.
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Ascorbic acid, known as vitamin C, plays a crucial role in human health, and it is necessary to develop sensitive and selective sensors for its detection in complex samples. In order to enhance electrical responses and interaction with biomolecules, nanomaterials are incorporated into the surface of sensors. Titanium dioxide (TiO2) and graphene oxide (GO) nanocrystals have interesting properties, such as high surface area, catalytic activity and ability to amplify electrical signals, making them excellent candidates for electrochemical sensors. Thus, their synergism can enhance these properties. Therefore, this work investigated the synergism between nanocrystals of TiO2 doped with nickel (Ni) and GO and its application in the detection of ascorbic acid. The optical, structural and vibrational properties of the samples were investigated using optical absorption spectroscopy (AO), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and cyclic voltammetry (VC). In the AO spectra, it confirmed the absorption in the ultraviolet of the TiO2 nanocrystals and that with the doping it altered the band gap. XRD and Raman data confirmed the presence of the anatase phase of the TiO2 nanocrystals, the lattice distortions with doping and the formation of GO. In the results of voltammetry and application in sensors for detection of ascorbic acid, it confirmed that nanocrystals of TiO2 doped with Ni and GO presented a high sensitivity and selectivity in the detection of ascorbic acid, with linear response in the concentration range, enhancing the sensitivity of the sensor . The synergistic effect of the two nanomaterials further enhanced the detection signal. Therefore, these results contribute to the advancement of knowledge in the field of nanomaterials and their application in sensitive and selective detection systems of bioactive compounds, such as ascorbic acid.
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LEONARDO CLEMENTE EMIDIO DE BARROS
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Nanopartículas de NaYF4 co- e tri-dopadas como conversores de luz UV/visível para infravermelho almejando uso em células solares
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Orientador : CARLOS JACINTO DA SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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CARLOS JACINTO DA SILVA
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ANDRE DE LIMA MOURA
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TASSO DE OLIVEIRA SALES
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WAGNER FERREIRA DA SILVA
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ANDRESSA NOVATSKI
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Data: 26/07/2023
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A necessidade urgente de fontes de energias limpas e sustentáveis tem impulsionado a pesquisa pelo desenvolvimento de tecnologias que gerem energia a partir de fontes renováveis, como no caso das células solares (CSs) que convertem a luz solar em energia elétrica. Contudo, a eficiência destes tipos de dispositivos ainda é relativamente baixa, como ocorre nas CSs à base de silício, em que a região onde são mais eficientes (infravermelho-IR) a emissão solar é menor, quando comparada às emissões do Sol que ocorrem no UV-visível. Assim, o objetivo deste estudo foi investigar combinações de íons, principalmente terras raras (TRs), capazes de converter fótons de alta energia (UV-Visível) em fótons de baixa energia (na região do IR, em torno de 980 nm) visando aumentar a eficiência das células solares de silício. Portanto, o objetivo principal foi investigar as propriedades luminescentes de nanopartículas (NPs) dopadas com íons TRs e outros e seu potencial para converter fótons do UV-Visível para o IR. Nesse estudo foram utilizados os seguintes íons: Yb 3+ (Itérbio), Er 3+ (Érbio), Nd 3+ (Neodímio), Ce 3+ (Cério), Gd 3+ (Gadolínio), Mn 3+ (Manganês) e Tm 3+ (Túlio). As caracterizações ópticas das NPs, que foram sintetizadas, ocorreram por meio da obtenção de espectros de excitação e emissão. Foram utilizadas NPs dopadas com dois (codopadas) e três (tridopadas) íons. A ideia foi buscar quais íons podiam absorver fótons com comprimentos de onda na região UV-visível e transferir sua energia para o íon Yb 3+ , para assim, gerar emissões no IR (~980 nm). Como resultados, em geral, foi obtido que as NPs codopadas (X 3+ ,Yb 3+ ) apresentaram transferências de energias (TEs) eficientes entre os íons X 3+ escolhidos e o Yb 3+ . Contudo, na amostra codopada com Mn 3+ e Yb 3+ não foi evidenciada TE, embora o Mn 3+ tivesse apresentado uma absorção intensa na
região desejada. Com relação as amostras tridopadas (X 3+ ,Nd 3+ ,Yb 3+ ), a inclusão do íon Nd 3+ como intermediário para a TE entre algum íon X 3+ escolhidos e o Yb 3+ não se mostrou algo vantajoso, pois, resultou em uma diminuição da emissão do Yb 3+ . No entanto, quando o Nd 3+ foi combinado com o Ce 3+ e o Yb 3+ , o sistema apresentou uma ampla região de absorção dentro do espectro desejado (300 a 600 nm), mostrando ser um sistema interessante para estudos futuros. Em suma, os resultados aqui obtidos indicam que as NPs dopadas com íons TRs têm o potencial de melhorar a eficiência das CSs de silício, contudo, tal possibilidade ainda deve ser minunciosamente investigada.
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The urgent need for clean and sustainable energy sources has driven research into the development of technologies that generate energy from renewable sources, as in the case of solar cells (SCs) that convert sunlight into electrical energy. However, the efficiency of these types of devices is still relatively low, as occurs in silicon-based SCs, in which the region where they are most efficient (infrared-IR) the solar emission is lower, when compared to the emissions of the Sun that occur in the UV-visible. Thus, the objective of this study was to investigate combinations of ions, mainly rare earth (REs), capable of converting high energy photons (UV-Visible) into low energy photons (in the IR region, around 980 nm) in order to increase the efficiency of silicon solar cells. Therefore, the main objective was to investigate the luminescent properties of nanoparticles (NPs) doped with REs and other ions and their potential to convert photons from UV-Visible to IR. In this study, the following ions were used: Yb 3+ (Ytterbium), Er 3+ (Erbium), Nd 3+ (Neodymium), Ce 3+ (Cerium), Gd 3+ (Gadolinium), Mn 3+ (Manganese) and Tm 3+ (Thulium). The optical characterizations of the synthesized NPs occurred by obtaining excitation and emission spectra. NPs doped with two and three ions were used. The idea was to find which ions could absorb photons with wavelengths in the UV-visible region and transfer their energy to Yb 3+ ion, thus generating emissions in the IR (~980 nm). As results, in general, it was obtained that the codoped NPs (X 3+ ,Yb 3+ ) presented efficient energy transfers (ETs) between the chosen X 3+ ions and the Yb 3+ . However, in the sample co-doped with Mn 3+ and Yb 3+ , ET was not evidence, although Mn 3+ had shown intense absorption in the desired region. Regarding the tridoped samples doped (X 3+ ,Nd 3+ ,Yb 3+ ), the inclusion of the Nd 3+ ion as an intermediary for the ET between some chosen X 3+ ion and the Yb 3+ , did not prove to be advantageous, since it resulted in a decrease in the Yb 3+ emission. However, when Nd 3+ was combined with Ce 3+ and Yb 3+ ions, the system showed a wide absorption region within the desired spectrum (300 to 600 nm), proving to be an interesting system for future studies. In short, the results obtained here indicate that NPs doped with RE 3+ ions have the potential to improve the efficiency of silicon SCs, however, this possibility still needs to be thoroughly investigated.
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RALINE SILVA DE ARAÚJO
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Quebra Dinâmica de Simetria de Lorentz em um Modelo de Quatro Férmions Derivativo
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Orientador : TIAGO HOMERO MARIZ DO NASCIMENTO
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MEMBROS DA BANCA :
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ALESANDRO FERREIRA DOS SANTOS
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JOB SARAIVA FURTADO NETO
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TIAGO HOMERO MARIZ DO NASCIMENTO
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Data: 27/07/2023
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Nesta dissertação investigamos a quebra espontânea de simetria de Lorentz em um modelo de 4 férmions derivativo. A essência do mecanismo de quebra espontânea de simetria de Lorentz consiste no acoplamento de campos tensoriais através de potenciais de forma que, nos mínimos dos potenciais, estes campos adquiram valores esperados de vácuo não triviais, introduzindo assim direções espaço-temporais privilegiadas. Para este modelo calculamos o potencial efetivo no contexto de temperatura zero e temperatura finita, também investigamos as condições para restauração de simetria. Em seguida, calculamos a correspondente ação efetiva e mostramos que o potencial resultante é definido positivamente e possui um conjunto contínuo de mínimos, assim como realizamos a indução da ação cinética de segunda ordem no campo auxiliar.
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In this dissertation we investigate spontaneous Lorentz symmetry breaking in a 4-fermion derivative model. The essence of the spontaneous Lorentz symmetry breaking mechanism consists in the coupling of tensor fields through potentials in such a way that, in the minima of the potentials, these fields acquire expected values of non-trivial vacuum, thus introducing privileged space-time directions. For this model we calculate the effective potential in the context of zero temperature and finite temperature, we also investigate the conditions for symmetry restoration. Next, we calculate the corresponding effective action and show that the resulting potential is positively defined and has a continuous set of minima, as well as performing the induction of the second order kinetic action in the auxiliary field.
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MAX WENDELL ANDRADE MELO
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Quebra Dinâmica de Simetria de Lorentz em um Modelo de Quatro Férmions Antissimétrico
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Orientador : TIAGO HOMERO MARIZ DO NASCIMENTO
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MEMBROS DA BANCA :
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ALBERT PETROV
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PAULO CESAR AGUIAR BRANDAO FILHO
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TIAGO HOMERO MARIZ DO NASCIMENTO
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Data: 28/07/2023
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Nesta dissertação estudamos a quebra dinâmica de simetria de Lorentz, ou seja, a quebra espontânea de simetria induzida por correções radiativas de uma teoria de férmiônica autointeragente. Em nosso estudo verificamos que após introduzirmos um campo auxiliar tensorial antissimétrico, obtemos uma teoria com esse campo minimamente acoplado a um espinor, na qual calculamos o potencial efetivo de um loop, à temperatura zero e temperarua finita, e também a ação efetiva de um loop. Depois de calcularmos a equação de gap à temperatura zero do potencial efetivo, demonstramos explicitamente que o potencial resultante é definido positivamente e possui um conjunto contínuo de mínimos. Também investigamos as condições para a restauração da simetria quando calculamos a equação de gap à temperatura finita, na qual obtemos certas restrições nas componentes antissimétricos do campo tensorial. Além disso, obtemos a mesma ação cinética de segunda ordem nos campos quando consideramos a ação efetiva de um loop com a derivada direcional ou apenas uma derivada.
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In this dissertation we study dynamic Lorentz symmetry breaking, that is, the spontaneous symmetry breaking induced by radiative corrections of a self-interacting fermionic theory. In our study we verified that after introducing an antisymmetric tensor auxiliary field, we obtain a theory with this field minimally coupled to a spinor, in which we calculate the effective potential of a loop, at zero temperature and finite temperature, and also the effective action of a loop. After computing the zero-temperature gap equation of the effective potential, we explicitly demonstrate that the resulting potential is positively defined and has a continuous set of minima. We also investigate the conditions for symmetry restoration when we calculate the gap equation at finite temperature, in which we obtain certain constraints on the antisymmetric components of the tensor field. Furthermore, we get the same second-order kinetic action on fields when we consider the effective action of a loop with the left-right derivative or just one derivative.
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LUCAS DA SILVA FERREIRA
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Blindagem UV em filmes de quitosana dopados com pontos quânticos de carbono medida por molhabilidade
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Orientador : ITALO MARCOS NUNES DE OLIVEIRA
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MEMBROS DA BANCA :
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ITALO MARCOS NUNES DE OLIVEIRA
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MARIA SOCORRO SEIXAS PEREIRA
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PEDRO JUVENCIO DE SOUZA JUNIOR
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Data: 14/08/2023
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O presente estudo é voltado à caracterização das propriedades ópticas e interfaciais de filmes de quitosana dopados com pontos quânticos de carbono. Em particular, são considerados nanopartículas de carbono sintetizadas a partir de método hidrotérmico, usando o corante vermelho de metila como precursor. Usando as técnicas de espectroscopia UV-Vis e tensiometria ópticas, a fotoestabilidade e a molhabilidade dos filmes poliméricos são analisadas, com ênfase nos efeitos associados a fotoexcitação das amostras com um laser na região do UV. Os resultados obtidos mostram que a adição de um pequeno percentual de pontos quânticos de carbono não modifica a molhabilidade dos filmes, mas aumenta a fotoestabilidade das amostra à radiação UV. Usando o glicerol como líquido de prova nas medidas de ângulo, é mostrado que a dinâmica de molhagem não é afetada pela adição dos pontos quânticos de carbono, que age como centro absorvedor da radiação eletromagnética. Utilizando a teoria cinético-molecular para a analisar a dinâmica de molhagem, os parâmetros físico-químicos que caracterizam o fenômeno de molhagem são determinados. Os resultados obtidos nesse trabalho mostram que a adição de pontos quânticos pode ser usada para melhorar a estabilidade de filmes de polímeros biocompatíveis, os tornando menos susceptíveis à radiação UV do meio.
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The present study is devoted to characterizing the optical and interfacial properties of chitosan films doped with carbon quantum dots. In particular, carbon nanoparticles are synthesized from the hydrothermal method, using methyl red dye as a precursor. Using UV-Vis spectroscopy and optical tensiometry techniques, the photostability and wettability of polymeric films are analyzed, emphasizing the effects associated with photoexcitation of the samples with a laser in the UV region. The obtained results show that the addition of a small percentage of carbon quantum dots does not modify the wettability of the films but increases the photostability of the samples to UV radiation. Using glycerol as a test liquid during the contact angle measurements, one can observe that the wetting dynamics is not affected by the addition of carbon quantum dots, which act as an absorber center for electromagnetic radiation. Using the kinetic-molecular theory to analyze the wetting dynamics, the physical-chemical parameters that characterize the wetting phenomenon are determined. The results obtained in this work show that the addition of quantum dots can be used to improve the stability of biocompatible polymer films, making them less susceptible to UV radiation from the medium.
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ANTONIO EVANDRO DOS SANTOS
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Estudo do Fenômeno de Espalhamento Acústico por meio do Método de Elementos Finitos FEM
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Orientador : JOSE PEREIRA LEAO NETO
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MEMBROS DA BANCA :
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JOSE PEREIRA LEAO NETO
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JOSE HENRIQUE ARAUJO LOPES DE ANDRADE
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ALEX EMANUEL BARROS COSTA
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Data: 06/09/2023
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propagação de ondas acústicas em partículas é um fenômeno complexo que envolve a interação Onda-Partícula, resultando em reflexão, transmissão e espalhamento da energia acústica. O estudo do espalhamento acústico envolve a análise das soluções da equação de Helmholtz, considerando condições de contorno e a expansão em ondas parciais. Essa análise nos permite compreender como partículas interagem com ondas acústicas e contribuem para a propagação e espalhamento da energia acústica. A maioria das análises teóricas sobre espalhamento e força de radiação acústica Frad (força estacionária causada pela mudança linear do fluxo de momento durante o espalhamento de uma onda acústica por uma partícula) em fluidos assume que as partículas têm forma esférica, mas, essa simplificação não representa todas as situações da realidade. A forma esférica é considerada uma forma geométrica idealizada, onde a partícula é simétrica em todas as direções, essa suposição simplifica o problema ao permitir que equações matemáticas mais simples sejam aplicadas para descrever o comportamento da partícula em resposta à radiação acústica. Ao considerar partículas com formas não esféricas, as técnicas analíticas exatas podem se tornar impraticáveis. Nesses casos, são necessárias abordagens numéricas mais sofisticadas, como métodos de elementos finitos, métodos de diferenças finitas ou métodos de elementos de contorno, para resolver o problema de espalhamento e obter resultados precisos e realistas. Aqui, uma abordagem semi-analítica é introduzida para lidar com partículas axissimétricas de subcomprimento de onda (limite de espalhamento de Rayleigh) imersas em um fluido ideal isotrópico. Os coeficientes de espalhamento que refletem os modos monopolo e dipolo são determinados por meio da resolução numérica do problema de espalhamento. Nosso método é comparado com o resultado exato para uma esfera rígida de subcomprimento de onda em água, uma esfera fluida e um sólido viscoelástico, além disso estendemos nossa análise para um esferóide, geometria que se aproxima da esfera porém envolve complicações analíticas que tornam as soluções exatas mais complicadas. Esses estudos são fundamentais para diversas aplicações Biomédicas, que usam técnicas como aprisionamento de partículas, levitação e pinças acústicas, entre outras. Técnicas para imobilizar partículas e células em sistemas microfluídicos são muitas vezes necessários no conceito da tecnologia de laboratório dentro de um chip (Lab-On-Chip) onde é comum partículas com dimensões muito menores do que o comprimento de onda acústica, conhecido como regime de espalhamento Rayleigh, encontrado em dispositivos de Acustofluídica.
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The propagation of acoustic waves in particles is a complex phenomenon that involves the interaction between waves and particles, resulting in the reflection, transmission, and scattering of acoustic energy. The study of acoustic scattering involves analyzing the solutions of the Helmholtz equation, considering boundary conditions and the expansion into partial waves. This analysis allows us to understand how particles interact with acoustic waves and contribute to the propagation and scattering of acoustic energy. Most theoretical analysis of scattering and acoustic radiation force Frad (the stationary force caused by the linear change of momentum flux during the scattering of an acoustic wave by a particle) in fluids assume that particles have a spherical shape, but this simplification does not represent all real-world situations. The spherical shape is considered an idealized geometric form, where the particle is symmetrical in all directions. This assumption simplifies the problem by allowing simpler mathematical equations to describe the particle’s behavior in response to acoustic radiation. However, when considering particles with non-spherical shapes, exact analytical techniques can become impractical. In such cases, more sophisticated numerical approaches are required, such as finite element methods, finite difference methods, or boundary element methods, to solve the scattering problem and obtain precise and realistic results. Here, we introduce a semi-analytical approach to deal with axially symmetric particles of sub-wavelength size (Rayleigh scattering limit) immersed in an ideal isotropic fluid. The scattering coefficients that reflect the monopole and dipole modes are determined through the numerical resolution of the scattering problem. Our method is compared with the exact result for a rigid sub-wavelength sphere in water, a fluid sphere, and a viscoelastic solid. Additionally, we extend our analysis to an spheroid, a geometry that approximates a sphere but involves analytical complications that make exact solutions more challenging. These studies are fundamental for various biomedical applications, which utilize techniques such as particle trapping, levitation, and acoustic tweezers, among others. Techniques for immobilizing particles and cells in microfluidic systems are often necessary in the concept of Lab-On-Chip technology, where particles with dimensions much smaller than the acoustic wavelength are common, known as the Rayleigh scattering regime, found in Acoustofluidic devices.
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Teses |
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RENATO FERREIRA DUTRA
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Transporte de Carga e Transferência de Estados Quânticos em Geometrias de Baixa Dimensionalidade Desordenadas
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Orientador : FRANCISCO ANACLETO BARROS FIDELIS DE MOURA
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MEMBROS DA BANCA :
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ANDRE MAURICIO CONCEICAO DE SOUZA
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Adauto José Ferreira de Souza
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FRANCISCO ANACLETO BARROS FIDELIS DE MOURA
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GUILHERME MARTINS ALVES DE ALMEIDA
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MARCELO LEITE LYRA
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Data: 10/01/2023
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Neste presente trabalho, estudamos a dinâmica de um elétron em dois sistemas bidi-
mensionais (2D) sob o efeito de um campo elétrico externo. Em ambos os casos investigamos a evolução temporal de um pacote de ondas inicialmente localizado, usando um formalismo de Taylor para resolver o conjunto de equações de Schrödinger. No primeiro caso, consideramos uma rede quadrada com os termos de hopping distribuı́dos de maneira aperiódica. Os resultados obtidos sugerem que uma propagação rápida de elétrons (dinâmica balı́stica) é encontrada para uma faixa de valores do grau de aperiodicidade ν do sistema. Ao inserir o efeito de um campo elétrico estático no modelo, verifica-se a existência de um comportamento oscilatório semelhante a dinâmica eletrônica em sistemas cristalinos, ou seja, em que exibem “oscilações de Bloch”. A frequência ω e o tamanho LE dessas oscilações são investigados e os resultados encontrados são comparados com a abordagem semi-clássica, resultando em uma boa concordância com comportamento padrão. No segundo caso, consideramos uma rede quadrada com os termos de hopping com desordem correlacionada. Nossos resultados indicaram que a desordem correlacionada promove uma propagação eletrônica rápida para tempos intermediários. Quando inserimos um campo elétrico, também observamos um comportamento similar as “oscilações de Bloch”. A frequência obtida para este segundo caso também está em boa concordância com os previstos pela abordagem semi-clássica. Apesar da ausência de estados estendidos e com base na desordem inserida no modelo, discutimos aestabilidade dessas aparentes “oscilações de Bloch”. Também investigamos a transferência de estados quânticos (QST) em um canal com desordem não correlacionada na diagonal, conectado a um emissor (S) e um receptor (R). Usamos algumas medidas do grau de localização para poder avaliar as propriedades de localização ou deslocalização do canal proposto para QST. Os resultados revelaram que dentro de um determinado limite de desordem fraca, a transferência de estados quânticos ocorre com boa fidelidade.
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In this present work, we study the dynamics of an electron in two-dimensional systems (2D) under the effect of an external electric field. In both cases we investigate the time evolution of an initially localized wave packet, using a Taylor formalism to solve the set of Schrödinger equations. In the first case, we consider a square lattice with the hopping terms distributed aperiodically. The obtained results suggest that fast propagation of electrons (ballistic dynamics) is found for a range of values of the degree of aperiodicity ν of the system. By inserting the effect of a static electric field in the model, it is verified the existence of an oscillatory behavior similar to the electronic dynamics in crystalline systems, or that is, where they exhibit “ Bloch oscillations”. The frequency ω and the size LE of these oscillations are investigated and the results found are compared with the semi-classical approach, resulting in good agreement with default behavior. In the second case, we consider a square lattice with the hopping terms with correlated disorder. Our results indicated that the correlated disorder promotes a fast electronic propagation fast for intermediate times. When we insert an electric field, we also observe behavior similar to “Bloch oscillations”. The frequency obtained for this second case is also in good agreement with those predicted by the semi-classical approach. Despite the absence of extended states and based on the disorder inserted in the model, we discuss the stability of these apparent “Bloch oscillations”. We also investigated the quantum state transfer (QST) in a channel with diagonally uncorrelated disorder, connected to an sender (S) and a receiver (R). We use some measures of the degree of localization in order to evaluate the localization or non-localization properties of the proposed channel for QST. The results revealed that within a certain limit of weak disorder, the transfer of quantum states occurs with good fidelity.
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RAUL LIMA FERREIRA
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Propriedades ópticas de sistemas orgânicos com características multifuncionais
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Orientador : ITALO MARCOS NUNES DE OLIVEIRA
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MEMBROS DA BANCA :
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MARIO ERNESTO GIROLDO VALERIO
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LUCIMARA STOLZ ROMAN
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ANDRE DE LIMA MOURA
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CARLOS JACINTO DA SILVA
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ITALO MARCOS NUNES DE OLIVEIRA
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MARIA SOCORRO SEIXAS PEREIRA
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Data: 21/03/2023
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O presente estudo é dedicado à investigação de materiais orgânicos fotoluminescentes que são sensíveis às condições do meio, visando seu uso em aplicações de sensoriamento e imagem. Quatro sistemas diferentes são investigados: um derivado de ditienilpirrol contendo o fuoreno como substituinte (SNSFCA), um ponto quântico de carbono obtido a partir de cloreto de dansila (CD-DsCl), um ponto quântico carbono sintetizado a partir de um corante azóico (CDMR) e um composto polimérico de álcool polivinílico (PVA) e um ponto quântico de carbono. Usando espectroscopia UV-vis transiente e estacionária, mostramos que o SNSFCA diluído em clorofórmio sofre fotopolimerização sob fotoexcitação, que é caracterizada por mudanças nos parâmetros físicos do mecanismo fotoluminescência. Com relação ao estudo de pontos quânticos de carbono derivados de cloreto de dansila, são analisados como as condições ambientais afetam a fotoluminescência do CD-DsCl, com ênfase nos efeitos de temperatura e pH. Nossos resultados revelam que CD-DsCl exibe uma fluorescência retardada termicamente ativada, que está associada a um cruzamento intersistema reverso devido à pequena lacuna de energia entre os estados excitados singleto e tripleto. A ocorrência de um cruzamento intersistema no CD-DsCl é explorado para analisar a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) de tais nanopartículas. Visando o uso de efluentes de corantes como precursores de carbono, também estudamos a síntese de pontos quânticos de carbono a partir do azocorante vermelho de metila (CDMR). Usando o método de síntese hidrotérmica, obtivemos pontos quânticos de carbono altamente dopados com nitrogênio, que apresentam emissão dependente do excitação e comportamento de supressão térmica da fluorescência. Usando microscopia confocal de fluorescência, analisa-se a possibilidade de usar CDMR na aplicação de bioimagem, considerando as células HeLa como a sonda biológica. Além disso, estudamos os efeitos da adição de CDMR nas propriedades ópticas de filmes de PVA. A partir de medições de Z-scan resolvidas no tempo, investigamos como a concentração de CDMR afeta o coeficiente termo-óptico e a difusividade dos filmes poliméricos. Os efeitos da matriz polimérica nsobre as propriedades de fluorescência do CDMR também são investigados.
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The present study is devoted to the investigation of photoluminescent organic materials which are sensitive to environment conditions, envisaging their use in sensing and imaging applications. Four different systems are investigated: a dithienylpyrrole derivative bearing a fluorene substituent (SNSFCA), a carbon quantum dot obtained from dansyl chloride (CD-DsCl), a carbon quantum dot synthetized from an azodye (CDMR), and a polymeric composite of polyvinyl alcohol (PVA) and a carbon dot. Using steady-state and transient UV-vis spectroscopy, we show that SNSFCA diluted in chloroform undegoes a photopolymerization under photoexcitation, which is characterized by changes in the physical parameters of photoluminescent mechanism. Concerning the study of carbon dots derived from dansyl chloride, it is analyzed how the environment conditions affect the photoluminescence of CD-DsCl, with emphasis on temperature and pH effects. Our results reveal that CD-DsCl exhibits a thermally-actived delayed fluorescence, which is associated with a reverse intersystem crossing due to the small energy gap between singlete and triplet excited states. The occurrence of an intersystem crossing in CD-DsCl is exploited to analyze the generation of reactive oxygen species (ROS) of such nanoparticles. Envisaging the use of dye effluents as carbon precursors, we also study the synthesis of carbon dots from the methyl red azodye (CDMR). Using a hydrothermal synthesis method, we have obtained highly nitrogen-doped carbon dots, which present excitation-dependent emission and thermal-quenching fluorescence behavior. Using flurescence confocal microscopy, the possibility of use CDMR in bioimaging application is analyzed, considering HeLa cells as the biological probe. Furthermore, we study the effects of CDMR addition on the optical properties of PVA films. From time-resolved Z-scan measurements, we investigate how the CDMR concentration affects the thermal-optic coefficient and thermal diffusivity of poymeric films. The effects of polymeric matrix on the fluorescence properties of CDMR are also investigated.
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JAMERSON FONSECA DE SOUSA
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GERAÇÃO DE LUZ VISÍVEL E ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA EM VIDROS TeO2:ZnO DOPADOS E CO-DOPADOS COM Dy3+/Pr3+ E Eu3+/Ho3+
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Orientador : ARTUR DA SILVA GOUVEIA NETO
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MEMBROS DA BANCA :
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LUCIANO AVALLONE BUENO
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ERNANDE BARBOSA DA COSTA
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ARTUR DA SILVA GOUVEIA NETO
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FRANCISCO DE ASSIS MARTINS GOMES REGO FILHO
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MARIA TEREZA DE ARAUJO
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Data: 24/03/2023
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Neste trabalho, realizamos o estudo espectroscópico do vidro à base dos óxidos de Telúrio e Zinco (xTeO2:yZnO) dopado e co-dopado com os íons Dy3+, Pr3+, Eu3+ e Ho3+ sob excitação na faixa do UV e azul. As análises desta investigação fundamentaram-se em medidas de absorção e excitação óptica, luminescência e luminescência resolvida no tempo e em parâmetros da eficiência de transferência de energia. Os resultados mostraram que sob excitação UV/azul, os sistemas co-dopados geram bandas de emissões bem definidas na região visível, e o comportamento da intensidade de emissão em função da concentração do co-dopante indicou a presença de mecanismos de transferência de energia Dy3+ → Pr3+, Pr3+ → Dy3+, Eu3+ → Ho3+ e Ho3+ → Eu3+, que posteriormente foram confirmados por medidas de tempo de vida. As análises das eficiências de transferência de energia indicaram que as transferências segundo os mecanismos Dy3+ → Pr3+ e Ho3+ → Eu3+ são mais eficientes e, portanto, têm uma maior probabilidade de ocorrer. Observou-se também que as emissões são sensíveis aos comprimentos de onda de excitação utilizados, e além disso, estas excitações são responsáveis por alterar a relação sensibilizador/aceitador no processo de transferência de energia, mostrando, portanto, que o perfil espectral das emissões é uma função não somente da concentração dos íons, mas também da excitação empregada e consequentemente da transferência de energia. Os resultados aqui apresentados podem impactar estudos que explorem as propriedades ópticas de dispositivos baseados na luz emitida pelos pares de íons Dy3+/ Pr3+ e Eu3+/ Ho3+
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In this work, we carried out a spectroscopic study of glass based on Tellurium and Zinc oxides (xTeO2:yZnO) doped and co-doped with Dy3+, Pr3+, Eu3+ and Ho3+ ions under UV and blue excitation. The analysis of this investigation were based on measurements of optical absorption and excitation, luminescence, time-resolved luminescence and energy transfer efficiency parameters. The results show that under UV/blue excitation the co-doped systems generate well-defined emission bands in the visible region, and the behavior of the emission intensity as a function of the co-dopant concentration indicated the presence of energy transfer mechanisms Dy3+ → Pr3+, Pr3+ → Dy3+, Eu3+ → Ho3+ e Ho3+ → Eu3+, which were later confirmed by lifetime measurements. The analysis of energy transfer efficiencies indicated that transfers according to Dy3+ → Pr3+ e Ho3+ → Eu3+ Dy3+ → Pr3+ and Ho3+ → Eu3+ mechanisms are more efficient and, therefore, are more likely to occur. It was also observed that the emissions are sensitive to the excitation wavelengths used, and furthermore, these excitations are responsible for altering the sensitizer/acceptor relationship in the energy transfer process, showing, therefore, that the spectral profile of the emissions is a function not only of the concentration of the ions, but also of the excitation used and consequently of the energy transfer. The results presented here may impact studies that explore the optical properties of devices based on the light emitted by Dy3+/ Pr3+ and Eu3+/ Ho3+ ion pairs
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JONATHAN ALVES REBOUÇAS
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Séries divergentes, aproximantes de Padé e espalhamento da luz
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Orientador : PAULO CESAR AGUIAR BRANDAO FILHO
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MEMBROS DA BANCA :
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FELIPE ARRUDA DE ARAUJO PINHEIRO
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DANILO GOMES PIRES
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GUILHERME MARTINS ALVES DE ALMEIDA
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PAULO CESAR AGUIAR BRANDAO FILHO
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SOLANGE BESSA CAVALCANTI
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Data: 31/03/2023
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O espalhamento de luz é um fenômeno físico muito importante quando o assunto é o estudo da interação radiação-matéria. Tal fenômeno pode ser abordado tanto para descobrir padrões de espalhamento de certos materiais, como a determinação da estrutura cristalina utilizando raios X, quanto para produzir materiais com características específicas de espalhamento que produzam aplicações úteis, como os metamateriais. Do ponto de vista mais formal da teoria, as diversas equações nem sempre oferecem soluções analíticas e são, na maioria dos casos, bem intratáveis. Portanto, é comum recorrer a métodos de aproximação quando buscamos resolver problemas de espalhamento. Dentre eles, destaca-se o método perturbativo, que consiste em assumir que o campo espalhado pode ser escrito como uma série de potências infinita. O problema é então substituído por vários outros menores, presumivelmente mais tratáveis, que permitem encontrar soluções aproximadas para uma série de casos de interesse físico. A série de Born é a mais comumente utilizada para representar o campo espalhado nesses problemas. Para espalhamentos em que a luz interage fracamente com o material (espalhamento fraco), o truncamento dessa série infinita no primeiro termo com potência não nula (primeira aproximação de Born) já representa uma boa aproximação da solução do problema. Todavia, para espalhamentos onde a luz interage fortemente com o material (espalhamento forte), observamos que a primeira aproximação de Born falha em descrever o resultado. Essa fragilidade da aproximação de Born ocorre tanto em materiais hermitianos quanto não-hermitianos, sendo, algumas vezes, mais acentuado nesses últimos. Segue daí a necessidade de buscarmos métodos aproximativos que forneçam bons resultados tanto para espalhamentos fracos quanto para espalhamentos fortes, bem como para qualquer tipo de material. Os aproximantes de Padé surgem como uma ferramenta promissora para esse fim, uma vez que usualmente geram regiões de convergência maiores quando comparadas com a respectiva série de Born. Neste trabalho, aplicamos os aproximantes de Padé para uma série de problemas de interesse físico. Para certas escolhas de parâmetros, a substituição da solução analítica pela série de Born tende a divergir. A partir da análise realizada verificamos que os aproximantes de Padé são uma ferramenta extremamente útil para descrever o espalhamento de luz tanto em regimes fracos quanto em regimes fortes, bem como em materiais não-hermitianos.
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Light scattering is a very important physical phenomenon when it comes to the study of radiation-matter interaction. This phenomenon can be approached to discover scattering patterns of certain materials, such as determining crystal structures using X-rays, or to produce materials with specific scattering characteristics that result in useful applications, such as metamaterials. From a more formal theoretical perspective, the various equations do not always offer analytical solutions and are, in most cases, quite intractable. Therefore, it is common to resort to approximation methods when seeking to solve scattering problems. Among them, the perturbative methods stands out, which consists of assuming that the scattered field can be written as an infinite power series. The problem is then replaced by several smaller ones, presumably more manageable, which allow finding approximate solutions for a series of physically interesting cases. The Born series is the most commonly used to represent the scattered field in these problems. For scatterings in which light interacts weakly with the material (weak scattering), truncating this infinite series at the first non-zero power term (first Born approximation) already represents a good approximation of the problem solution. However, for scatterings where light interacts strongly with the material (strong scattering), we observe that the first Born approximation fails to describe the result. This fragility of the Born approximation occurs in both Hermitian and non-Hermitian materials, sometimes being more pronounced in the latter. Hence, the need to seek approximate methods that provide good results for both weak and strong scatterings, as well as for any type of material. Padé approximants emerge as a promising tool for this purpose since they usually generate larger convergence regions when compared to the respective Born series. In this work, we apply Padé approximants to a series of physically interesting problems. For certain parameter choices, replacing the analytical solution with the Born series tends to diverge. From the analysis performed, we verify that Padé approximants are an extremely useful tool for describing light scattering in both weak and strong regimes, as well as in non-Hermitian materials.
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LUAN FELIPE SANTOS MARTINS
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Ordem Topológica e Transições de Fases Quânticas em Cadeias de Spins Interagentes.
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Orientador : MARCELO LEITE LYRA
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MEMBROS DA BANCA :
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MARCELO LEITE LYRA
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MARIA SOCORRO SEIXAS PEREIRA
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RODRIGO G. PEREIRA
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RENE RODRIGUES MONTENEGRO FILHO
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Adauto José Ferreira de Souza
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Data: 11/04/2023
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Neste trabalho, investigamos ordens topológicas e transições de fases quânticas em modelos de spins interagentes distintos utilizando métodos numéricos. Introduzimos o método de escala tangencial de tamanho finito, onde demonstramos a sua validade na caracterização de transições de fases topológicas entre as fases de Haldane e Large-D em uma cadeia de Heisenberg anisotrópica de spin S = 1. Os nossos resultados foram validados por previsões teóricas do expoente crítico do comprimento de correlação ν obtidas de uma teoria de campos efetiva σ não linear. Em seguida, investigamos as fases quânticas e transições de fases topológicas para uma classe de modelos ferrimagnéticos tetrâmeros (S1 − S1 − S2 − S2) com interações de Heisenberg isotrópicas e alternadas. Investigamos primeiro o caso S1 = 1 2 e S2 = 5 2 onde obtivemos o diagrama de fases do modelo e investigamos as fases quânticas a partir de curvas de magnetização. Caracterizamos um ponto crítico do diagrama de fases utilizando o método de escala tangencial de tamanho finito, onde temos uma transição de fases topológica de expoente crítico ν = 2 3 . Em seguida, investigamos a universalidade de transições de fases topológicas para uma classe de cadeias ferrimagnéticas onde demonstramos que os pontos críticos a campo nulo que surgem nessa classe de modelos Têm um caráter universal e pertencem a classe de universalidade SU(2) Wess-Zumino-Witten com ν = 2 3 . Por fim, investigamos outra cadeia ferrimagnética tetrâmera com S1 = 1 e S2 = 3 2 , onde obtivemos um rico diagrama de fases do modelo apresentando sucessivas transições de fases topológicas a campo nulo. Investivamos essas transições novamente implementando o método de escala tangencial de tamanho finito, onde demonstramos que essas transições também são universais e pertencentes a classe SU(2) Wess-Zumino-Witten com ν = 2 3 . Por fim investigamos o papel de dissipação distintas no ordenamento topológico protegido por simetria dado pelo modelo de Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki em uma dimensão utilizando métodos de redes de tensores. Mostramos que para dissipações assimétricas em relação a simetria de reversão-temporal o ordenamento topológico não trivial é destruido com o aumento da intensidade de dissipação γ. Para o caso de dissipação simétrica, vimos que a fase topológica protegida por simetria do modelo é mantida, validadas por medidas do parâmetro de ordem string, pureza Γn e analisando o espectro de Schmidt. Vale de destacar que identificamos o padrão de degenerescência no espectro de Schmidt da matriz densidade do modelo no regime estacionário, tal qual é possível observar no espectro de emaranhamento no caso de fases topológicas não triviais para estados puros. Nossos resultados validam o argumento de que obtivemos uma fase topológica dissipativa protegida por simetria e que pode ser caracterizada por ferramentas também utilizadas para o caso de estados puros.
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In this work, we investigate topological orders and quantum phase transitions in distinct interacting spin models using numerical methods. We introduce the finite-size tangential scaling method, where we demonstrate its validation in the characterization of topological phase transitions between Haldane and Large-D phases in an anisotropic Heisenberg chain of spin S = 1. Our results were validated by theoretical theories of the critical exponent of the correlation length ν originated from a non-linear effective field theory σ. Next, we investigate the quantum phases and topological phase transitions for a class of tetramer ferrimagnetic models (S1 − S1 − S2 − S2) with isotropic and alternating Heisenberg interactions. We first investigate the case S1 = 1 2 and S2 = 5 2 where we obtain the phase diagram of the model and investigate the quantum phases from different magnetization curves. We characterize a critical point of the phase diagram using the finite-size tangential scaling method, where we have a topological phase transition of critical exponent ν = 2 3 . Next, we investigate the universality of topological phase transitions for a class of ferrimagnetic chains where we demonstrate that the zero-field critical points that arise in this class of models are universal and belong to the universality class SU(2) Wess-Zumino-Witten with ν = 2 3 . Finally, we investigated another tetramer ferrimagnetic chain with S1 = 1 and S2 = 3 2 , obtaining a rich phase diagram of the model showing successive transitions of topological phases at zero field. We investigate these transitions again implementing the finite size tangential scaling method, where we demonstrate that these transitions are also universal and belong to the SU(2) Wess-Zumino-Witten class with ν = 2 3 . Finally, we investigate the role of distinct dissipations in the symmetry-protected topological order given by the Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki model in one dimension using tensor network methods. We show that for asymmetric dissipations with respect to time-reversal symmetry the nontrivial topological ordering is destroyed with increasing dissipation intensity γ. For the case of symmetric dissipation, we saw that the model’s symmetry-protected topological phase is maintained, validated by measurements of the order parameter string, purity Γn, and analyzing the Schmidt spectrum. It is worth mentioning that we identified the degeneracy pattern in the Schmidt spectrum of the model’s density matrix in the steady state, as it is possible to observe in the entanglement spectrum in the case of non-trivial topological phases for pure states. Our results validate the argument that we obtained a dissipative symmetry-protected topological phase and that can be characterized by tools also used for the case of pure states.
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EVERTON BRITO DE LIMA
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Aplicações do Método de Elementos Finitos na Obtenção da Força e Torque de Radiação Acústica em Partículas Anisotrópicas
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Orientador : JOSE HENRIQUE ARAUJO LOPES DE ANDRADE
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MEMBROS DA BANCA :
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ASKERY ALEXANDRE CANABARRO BARBOSA DA SILVA
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EDIGUER ENRIQUE FRANCO
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FREDERICO SALGUEIRO PASSOS
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GLAUBER JOSE FERREIRA TOMAZ DA SILVA
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JOSE HENRIQUE ARAUJO LOPES DE ANDRADE
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JOSE PEREIRA LEAO NETO
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Data: 13/04/2023
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Os campos acústicos médios de força torque de radiação acústica, decorrem da interação não linear de uma onda acústica harmônica no tempo com uma partícula. Esses fenômenos são amplamente utilizados em acustofluídica, na manipulação de micropartículas como células e microrganismos. Aqui destacamos as contribuições de modelos numéricos desenvolvidos através do método de elementos finitos utilizados, primeiramente, na validação de um modelo analítico da interação linear com partículas esferoidais de sub comprimento de onda, e posteriormente, na complementação de um modelo semi-analítico que descreve os campos acústicos médios em uma partícula axissimétrica qualquer. No primeiro trabalho, as expressões analíticas para a força e torque de radiação acústica em um esferóide rígido de subcomprimento de onda são obtidas na aproximação de dipolo do espalhamento, onde a força possui uma componente gradiente de uma componente de espalhamento, enquanto o torque é dado tem termos de uma contribuição devido ao momento e outra devido ao spin acústico. Comparamos os resultados numéricos e analíticos, utilizando um campo acústico composto por duas ondas planas crudas. No trabalho seguinte, foi proposto um método semi-analítico de notável eficiência na obtenção dos campos médios de força e torque de radiação acústicos exercidos em qualquer partícula axissimétrica de subcomprimento de onda, em um campo acústico ordinario. Contornando, tanto as limitações dos métodos analíticos, restringidos a problemas com simetria em relação a um dado sistema de coordenadas, quanto às limitações dos métodos puramente numéricos, que demandam muito tempo e poder computacional para simular o comportamento da partícula ao longo do campo acústico. Neste trabalho, Os campos acústicos médios são dados em função de coeficientes de espalhamento referentes aos modos de monopolo e dipolo, os quais são calculados numericamente em uma dada configuração simplista, e depois são utilizados para generalizar os resultados para qualquer campo incidente. Comparamos nosso método com um resultado exato para uma esfera rígida de subcomprimento de onda em água, bem como demonstramos o potencial da nossa metodologia, apresentando um exemplo de aplicação mais realista utilizando um glóbulo vermelho imerso no plasma sanguíneo sob a atuação de uma onda ultrassônica estacionária.
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The mean acoustic fields of acoustic radiation torque force result from the non-linear interaction of a harmonic acoustic wave in time with a particle. These phenomena are widely used in acustofluidics, in the manipulation of microparticles such as cells and microorganisms. Here we will highlight the contributions of numerical models developed through the finite element method used, firstly, in the validation of an analytical model of the linear interaction with spheroidal particles of sub-wavelength, and later, in the complementation of a semi-analytical model that describes the field means-acoustics on any axisymmetric particle. In the first work, the analytical expressions for the force and torque of acoustic radiation on a sub-wavelength rigid spheroid are obtained in the scattering dipole approximation, where the force has a gradient component of a scattering component, while the torque is given has terms of a contribution due to momentum and another due to acoustic spin. We compared numerical and analytical results, using an acoustic field composed of two raw plane waves. In the following work, a semi-analytical method of remarkable efficiency was proposed in obtaining the means-acoustics radiation force and torque fields exerted on any subwavelength axisymmetric particle, in an ordinary acoustic field. Bypassing both the limitations of analytical methods, restricted to problems with symmetry in relation to a given coordinate system, and the limitations of purely numerical methods, which demand a lot of time and computational power to simulate the behavior of the particle along the acoustic field. In this work, the mean-acoustic fields are given as a function of scattering coefficients referring to the monopole and dipole modes, which are numerically calculated in a given simplistic configuration, and then are used to generalize the results to any incident field. We compare our method with an exact result for a rigid sphere of subwavelength in water, as well as demonstrate the potential of our methodology, presenting a more realistic example of application using a red blood cell immersed in blood plasma under the action of a stationary ultrasonic wave.
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GICLENIO CAVALCANTE DA SILVA
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Fabricação de chips de acustofluídica com técnicas de impressão 3D
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Orientador : GLAUBER JOSE FERREIRA TOMAZ DA SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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ANTONIO ADILTON OLIVEIRA CARNEIRO
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GLAUBER JOSE FERREIRA TOMAZ DA SILVA
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JOSE HENRIQUE ARAUJO LOPES DE ANDRADE
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RODRIGO PEREIRA BARRETTO DA COSTA FELIX
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UESLEN ROCHA SILVA
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Data: 29/05/2023
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A manipulação de partículas ou microestruturas sem contaminação, seja pelo meio ou por contato direto, desperta um interesse considerável para estudos de manipulação e enriquecimento de células em biotecnologia, desenvolvimento de novos fármacos e aplicações em diagnósticos. Nesse contexto, é necessário investigar técnicas que possibilitem esse processo de forma eficiente e confiável. Os chips acustofluídicos surgem como uma alternativa simples e funcional para alcançar esses objetivos, e nas últimas décadas, tem havido um crescimento significativo no desenvolvimento desses dispositivos lab-on-a-chip. Este trabalho aborda especificamente a fabricação de dispositivos acustofluídicos, que combinam técnicas de microfluídica com sistemas ultrassônicos para manipulação precisa de partículas ou microestruturas. São estudados as fenômenos físicos envolvidos nesse processo e como o comportamento desses fenômenos afeta as funcionalidades agregadas aos chips. Para isso, apresentamos o processo de fabricação, incluindo a etapa de projeto através de simulação analítica, modelagem 3D e fabricação por manufatura aditiva, utilizando uma impressora DLP com tecnologia de resina fotopolimerizável. O resultado é um dispositivo capaz de levitar e padronizar objetos ou células na escala microscópica, proporcionando uma plataforma versátil para diferentes aplicações. A fim de garantir o pleno funcionamento e aprimorar a eficiência do chip de achustofluídica, foi realizada uma avaliação minuciosa de seu desempenho. Conduzimos experimentos para caracterizar a frequência de ressonância do dispositivo fabricado, visando otimizar sua eficiência e capacidade de manipulação. Além disso, realizamos testes de estabilidade ao longo de períodos prolongados, inclusive vários dias, para observar o comportamento do protótipo em condições reais de operação. Analizamos experimentalmente a energia da microcavidade e a pressão da onda incidente, a fim de compreender melhor os fenômenos envolvidos e aprimorar o projeto do dispositivo. Adicionalmente, foram exploradas aplicações pioneiras para estudos de células por espectroscopia Raman, uma técnica analítica poderosa para análise molecular. O objetivo foi reduzir o tempo de análise, aumentar a praticidade e amplificar o sinal obtido, utilizando o chip como plataforma de suporte para esses estudos. Realizamos um estudo de macrófagos e avaliação de eritrócitos, obtendo seus espectros Raman e comparando-os com resultados da literatura, com o intuito de validar a eficácia e a precisão do dispositivo em aplicações biomédicas. Por fim, discutimos as amplas aplicações da tecnologia desenvolvida neste trabalho no contexto do diagnóstico por imunoaglutinação. Através dessa tecnologia inovadora, espera-se oferecer diversas vantagens em relação aos métodos atualmente utilizados, como maior sensibilidade, rapidez e facilidade de uso. Essas perspectivas têm o potencial de beneficiar significativamente a sociedade e os setores de saúde, proporcionando avanços no diagnóstico.
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The manipulation of particles or microstructures without contamination, either due to the environment or direct contact is of great interest for studies focused on biotechnology and the development of new drugs and applications aimed at diagnosis. In this context, it is necessary to study techniques that make this process more effective. In recent decades there has been a movement in order to remedy this need. In the present work, we will explore techniques for manufacturing acoustofluidics devices, which combine microfluidics techniques coupled with ultrasonic systems, with this capability, as well as advantages and disadvantages. We will study the physical quantities involved in these devices, and how their behavior affects/implies the aggregated features. We will demonstrate the manufacture of these devices, with project development based on analytical simulation, 3D modeling and manufacturing via additive manufacturing, using a printer with DLP technology based on photopolymerizable resin. This device will be able to levitate and standardize objects or beings of the order of µm, we will evaluate its operation, in addition to indicating pioneering applications for the evaluation of microorganisms such as the causes of leishmaniasis and also Raman spectroscopy, reducing the analysis time, increasing practicality, and amplifying the captured signal through improvements in the focusing system used.
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ANA CAROLINA COSTA SOARES
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Nanopartículas luminescentes para sensoriamentos na região do SWIR
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Orientador : CARLOS JACINTO DA SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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ANDRE DE LIMA MOURA
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CARLOS JACINTO DA SILVA
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ERVING CLAYTON XIMENDES
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NELSON GUILHERME CASTELLI ASTRATH
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TASSO DE OLIVEIRA SALES
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Data: 15/06/2023
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As pesquisas sobre nanotermômetros luminescentes (NTLs) estão em constante crescimento devido à necessidade de leitura e do controle da temperatura de diversos processos fisiológicos que ocorrem, dentre outros, em sistema biológicos tais como tecidos, células e organismos vivos, possibilitando diagnóstico e tratamento de doenças. Nesse sentido, as nanopartículas (NPs) dopadas com terras raras têm se destacado por apresentar diversas vantagens como possuir uma ampla faixa espectral do ultravioleta ao infravermelho. Assim, elas possuem propriedades luminescentes dentro das três janelas biológicas (JBs), que são regiões onde a autofluorescência, dispersão e absorção de luz pelos tecidos biológicos são minimizados, permitindo menor influência do ambiente sob estudo. Nesta tese, exploramos emissões e excitações nas JBs, pois ambas são de extrema importância. O foco principal do nosso estudo foram as emissões/excitação no infravermelho de ondas curta (do inglês Short-wave infrared- SWIR), que opera basicamente de 0,7 a 2,5 μm, principalmente na faixa da JB-II (1,0 – 1,35 μm) e JB-III (1,5 – 1,9 μm). No entanto, em uma parte inicial de nosso trabalho, que tinha como foco os efeitos da engenharia de estrutura core-shell, exploramos as emissões na JB-I (0.65 – 0,94 μm) sob excitação no mínimo da JB-I. Nessa parte demonstramos que a engenharia core-shell, a qual permite a separação espacial dos elementos emissores e, portanto, um controle dos processos de transferência de energia entre íons e íons para defeitos, tem um papel importantíssimo para manter a forma espectral das emissões das NPs na presença de material biológico. Apesar das aplicações promissoras dos NTLs, surgiram preocupações sobre sua confiabilidade devido às distorções espectrais induzidas por tecidos que estão presentes mesmo na JB-II que tem sido bastante explorada recentemente. Nós presentamos uma solução inovadora para este problema, demonstrando a eficácia de deslocar a faixa de operação destes NTLs para a JB-III. Através de evidências experimentais usando nanopartículas de CaF2 tri-dopadas com itérbio, érbio e túlio, demonstramos que os espectros de luminescência adquiridos na JB-III são minimamente distorcidos pela presença de tecido, abrindo caminho para uma termometria de luminescência confiável. Além disso, a análise avançada (Regressão Linear Múltipla) dos espectros de emissão permite obter incertezas térmicas de subgrau.
Ciente da forte absorção da água na região espectral entre as JBs II e III (1,4 e 1,5 μm), exploramos NPs de LaF3 monodopadas com Tm3+ como um potencial sensor de umidade por meio do uso das emissões em 1230 (na JB-II) e 1470 nm. Os resultados mostraram uma redução maior que 97% da intensidade de emissão em 1470 nm com a presença de uma película de água de 2 mm, resultando em uma sensibilidade relativa entre 0,083 – 0,125 %μm-1 para as menores películas de água, demonstrando ser um potencial sensor luminescente de umidade. Experimentos estão em andamento para um estudo comparativo com sensores de umidade comerciais e outros.
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Research on luminescent nanothermometers (LNTs) is constantly growing due to the need to read and control the temperature of various physiological processes that occur, among others, in biological systems such as tissues, cells and living organisms, enabling the diagnosis and treatment of diseases. In this sense, nanoparticles (NPs) doped with rare earths ions have stood out for presenting several advantages such as having a wide spectral range from ultraviolet to infrared. Thus, they have luminescent properties within the three biological windows (BWs), which are regions where autofluorescence, dispersion and absorption of light by biological tissues are minimized, allowing less influence of the environment under study. In this thesis, we explore emissions and excitations within the BWs, as both are extremely important. The main focus of our study was the short-wave infrared (SWIR) emissions/excitation, which basically operates from 0.7 to 2.5 μm, mainly within the BW-II (1, 0 - 1.35 μm) and BW-III (1.5 - 1.9 μm). However, in an early part of our work, which focused on the effects of core-shell structure engineering, we explored emissions at BW-I (0.65 – 0.94 μm) under excitation at the minimum of the BW-I. In this part we demonstrate that the core-shell engineering, which allows the spatial separation of the emitting elements and, therefore, a control of the energy transfer processes between ions and ions to defects, has a very important role to maintain the spectral form of the NPs emissions in the presence of biological material. Despite the promising applications of LNTs, concerns have arisen about their reliability due to tissue-induced spectral distortions that are present even in BW-II that have been heavily exploited recently. We present an innovative solution to this problem, demonstrating the effectiveness of shifting the operating range of these LNTs to BW-III. Through experimental evidence using CaF2 NPs tri-doped with ytterbium, erbium and thulium, we demonstrate that the luminescence spectra acquired in BW-III are minimally distorted by the presence of tissue, paving the way for reliable LNTs. In addition, advanced analysis (Multiple Linear Regression) of the emission spectra allows obtaining subdegree thermal uncertainties. Aware of the strong absorption of water in the spectral region between BWs II and III (1.4 and 1.5 μm), we explored single-doped LaF3 NPs with Tm3+ as a potential humidity sensor through the use of emissions at 1230 (in JB -II) and 1470 nm. The results showed a reduction greater than 97% in the emission intensity at 1470 nm with the presence of a 2 mm water film, resulting in a relative sensitivity between 0.083 – 0.125 %μm-1
for the smallest water films, demonstrating to be a potential luminescent humidity sensor. Experiments are underway for a comparative study with commercial and other humidity sensors.
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JOSÉ ROBSON DA COSTA VENÂNCIO
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Estudo DFT das propriedades eletrônicas, ópticas e vibracionais do cristal ortorrômbico de cloreto de dansila
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Orientador : MARCELO LEITE LYRA
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MEMBROS DA BANCA :
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MARCELO LEITE LYRA
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NILTON FERREIRA FRAZÃO
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RONIEL DE LIMA ARAUJO
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Umberto Laino Fulco
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VINICIUS MANZONI VIEIRA
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WANDEARLEY DA SILVA DIAS
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Data: 27/10/2023
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Muitas pesquisas estão relacionadas ao uso de marcadores de compostos orgânicos pelo cloreto de dansila (DNS-Cl), que podem ser um meio flexível e sensível para detecção de fluorescência. Muito utilizado em áreas como farmacologia, toxicologia, síntese orgânica e bioquímica. Não há relatos sobre o estudo teórico da molécula DNS-Cl na forma cristalina. A estrutura cristalina do DNS-Cl foi calculada e analisadas as seguintes propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e os modos normais de vibração, os espectros infravermelho e Raman, bem como as propriedades termodinâmicas. É investigado por simulação usando cálculos de primeiro princípio em uma abordagem pseudopotencial dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade (DFT). Consideramos a aproximação do gradiente generalizado com correção de dispersão (GGA + TS) e a aproximação da densidade local (LDA-CAPZ) implementada no código CASTEP. No cálculo da estrutura de bandas foi encontrado um gap direto de 1,83 eV para GGA + TS e um gap direto de 1,73 eV para LDA. As propriedades ópticas foram calculadas considerando a polarização ao longo da direção 100, 010, 001 e para uma amostra policristalina. Espectros infravermelho e Raman as propriedades termodinâmicas também foram obtidos e analisados. O cristal possui características de um material semicondutor comprovado pela estrutura de banda, se for sintetizado com grande potencial em aplicações de cristais orgânicos, ou colocado no branco de dados cristalográficos utilizado como referência para pesquisas futuras sobre a estrutura cristalina estudada.
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Many researches are related to the use of organic compounds markers by dansyl chloride (DNS-Cl), which can be a flexible and sensitive means for fluorescence detection. Widely used in areas such as pharmacology, toxicology, organic synthesis and biochemistry. There are no reports on the theoretical study of the DNS-Cl molecule in crystalline form. The crystal structure of DNS-Cl was calculated and analyzed to the following structural properties, electronic, optical and normal modes of vibration, infrared and Raman spectra, as well as thermodynamic properties. It is investigated by simulation using first principle calculations in one approach pseudopotential within the formalism of density functional theory (DFT). We consider the generalized gradient approximation with dispersion correction (GGA + TS) and the local density approximation (LDA-CAPZ) implemented in the CASTEP code. In the calculation of the band structure, a direct gap of 1.83 eV for GGA + TS and a direct gap of 1.73 eV for LDA was found. Optical properties were calculated considering the polarization along the 100, 010, 001 direction and for a polycrystalline sample. Infrared spectra and Raman thermodynamic properties were also obtained and analyzed. The crystal has characteristics of a semiconductor material proven by the band structure, if synthesized with great potential in organic crystal applications, or placed in the crystallographic data blank used as a reference for future research on the studied crystal structure.
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