Entender a formação de fases cristalinas é essencial para o projeto de materiais funcionais avançados visando aplicações industriais. Os cristais possuem arranjos ordenados de átomos, moléculas, íons ou até mesmo nanoestruturas, como partículas coloidais, exibindo propriedades anisotrópicas únicas. Embora a cristalografia seja uma técnica experimental comum para determinar estruturas cristalinas, as simulações moleculares fornecem informações sobre a dinâmica e a termodinâmica dos sólidos. Além disso, as simulações moleculares podem ser usadas para explorar a formação de cristais que não foram observados experimentalmente e podem ser usadas para projetar novos materiais. O chamado método Monte Carlo de caixa flexível (FBMC) é uma técnica poderosa para determinar candidatos para representar a fase cristalina de sólidos, mas não consegue indicar qual estrutura é termodinamicamente mais estável. Para esse propósito, o método do cristal de Einstein, desenvolvido por Frenkel e Ladd (FL), pode ser usado para encontrar a energia livre absoluta de candidatos da fase cristalina usando integração termodinâmica. Quando combinadas, as técnicas experimentais e de simulação melhoram o entendimento dos materiais cristalinos, possibilitando a síntese de materiais com propriedades personalizadas para várias áreas. Este estudo se concentrará em partículas duras não convexas formando estruturas cristalinas semelhantes às dos microcristais de fulereno ($C_{60}$ e $C_{70}$) obtidos via coprecipitação de soluções de fulereno-tolueno em 2-propanol. Essas partículas têm potencial como cristais fotônicos em diversas aplicações, incluindo a manipulação/transmissão de ondas eletromagnéticas, recepção/emissão de luz e sensoriamento cromático. Neste trabalho, o objetivo é prever e validar a estrutura cristalina dos microcristais de fulereno usando os métodos FBMC e FL, respectivamente. Além disso, o equilíbrio de fase fluido-sólido dessas substâncias também será estudado por meio de simulação molecular.

Este projeto foca na otimização de estratégias de controle avançadas para o cultivo de microalgas, dando especial ênfase à sustentabilidade. Com um alvo principal nos fotobiorreactores, o controle preciso da irradiância fotossinteticamente ativa é crucial. As variações nesta irradiância, tanto qualitativa como quantitativamente, podem afetar significativamente as vias de biossíntese, influenciando indicadores críticos como a eficiência, a produtividade e a sustentabilidade. Isto realça a intrincada interação entre os fatores ambientais e os resultados dos processos biotecnológicos, destacando a importância da precisão na gestão destes parâmetros na obtenção de resultados otimizados. Neste contexto, o projeto visa estabelecer uma estrutura computacional para analisar a viabilidade e sustentabilidade dos fotobiorreatores, fornecendo orientações para a viabilidade e implementação destes sistemas biotecnológicos. O estudo de caso para esta pesquisa é a produção da microalga Scenedesmus, conhecida por sua alta produtividade de biomassa e abundância de bioprodutos específicos como proteínas, carotenóides e carboidratos. A execução deste projeto desenvolve-se através de uma sequência sistemática de passos principais. A primeira etapa consiste em desenvolver um modelo matemático híbrido, combinando equações fundamentais com modelos baseados em aprendizagem de máquina. A fase subsequente envolve a formulação de novas funções objetivo alinhadas com critérios de viabilidade e sustentabilidade, incorporando a estrutura GREENSCOPE da EPA dos EUA. Estas funções são meticulosamente elaboradas para encapsular os principais aspectos do processo, com o objetivo de derivar perfis dinâmicos que orientem estratégias de controle ótimo como objetivo final.

O presente projeto de pesquisa considera o desenvolvimento de novas estratégias de otimização de problemas relacionados com o planejamento e a operação de sistemas de energia elétrica.Dessa forma, a proposta aborda vários tópicos de pesquisa tais como o problema de planejamento da expansão de sistemas de transmissão de energia elétrica, o planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica e o problema de reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica. Nesses três problemas, pretende-se desenvolver tópicos de pesquisa novos para que seja possível melhorar o processo de otimização desses problemas e que sejam aplicáveis a problemas correlatos. Esses tópicos estãorelacionados com as técnicas de redução do espaço de busca que podem ser usados em técnicas de otimização clássica e nas meta-heurísticas e, no desenvolvimento de novas estratégias que podem serusados nas meta-heurísticas. Essas propostas de pesquisa visam desenvolver técnicas de otimização com capacidade de resolver instâncias de elevada complexidade dos três problemas mencionados anteriormente. Este projeto deve ser desenvolvido como parte de um estágio de 12 meses em um centro de pesquisa de excelência no exterior.

As frequências na faixa sub-THz (de 100 a 300 GHz) permitem utilizar vastas quantidades de novo espectro, o que será essencial para viabilizar os casos de uso idealizados para o 6G e futuras gerações de redes móveis. Por esse motivo, o projeto de mestrado em desenvolvimento no Brasil, ao qual este projeto está vinculado, pretende desenvolver uma matriz de Butler baseada na tecnologia de membrana de nanofios metálicos (MnM) para operação na banda D (de 110 a 175 GHz). A matriz empregará um design inovador de um acoplador transdirecional, utilizando a técnica de ondas lentas. No entanto, dispositivos só podem ser caracterizados no Brasil até 110 GHz, enquanto na França é possível realizar medições em dispositivos de quatro portas até 220 GHz. Portanto, este projeto de estágio em pesquisa propõe a caracterização do acoplador transdirecional na banda D para avaliar o comportamento, em frequências mais altas, de dispositivos baseados na tecnologia MnM utilizando a técnica de ondas lentas. Além disso, este projeto de estágio em pesquisa também propõe estudar e projetar os switches de RF necessários para controlar a matriz de Butler. Esses switches serão desenvolvidos para serem compatíveis com a tecnologia BiCMOS, o que facilitará a compreensão do funcionamento da matriz de Butler como parte de um sistema integrado, ao invés de um dispositivo isolado. Além disso, isso ajudará a identificar os desafios de integração da matriz com as tecnologias mais relevantes na indústria atualmente.

Materiais carbonáceos, incluindo fibras de carbono (FC), são amplamente empregadps em diferentes aplicações eletroquímicas por suas propriedades como baixa densidade, boa condutividade e grande área superficial. Modificações, como a incorporação de polímeros condutores como a polianilina (PAni), podem melhorar seu desempenho. Recentemente, um novo compósito FC/PAni/Pb foi desenvolvido e aplicado como cátodo em baterias de chumbo-ácido. Este compósito aproveita a reorganização estrutural induzida por adsorção de Pb2+ em PAni para inibição da reação de evolução de hidrogênio (HER). Propomos estender esta abordagem utilizando outros íons metálicos para aplicações onde o HER também é um problema, como redução CO2 (usando Sn, Cu e Co como catalisadores) e redução de N2 (usando Fe como catalisador). A análise de espectroscopia de absorção de raios X (XAS) oferece a possibilidade de entender sobre como os íons metálicos se integram à estrutura FC/PAni. Esta técnica revela coordenação e ligações de átomos metálicos dentro do compósito. Além disso, a realização de XAS in situ/operando proporciona uma compreensão mais profunda do mecanismo de adsorção durante os processos eletroquímicos, apoiando o desenvolvimento de materiais para aplicações do mundo real e preenchendo a lacuna entre a pesquisa e a comercialização. Esta proposta visa melhorar a compreensão do impacto do Pb e outros íons metálicos (Sn, Cu, Co e Fe) adsorvidos no compósito FC/PAni usando XAS in situ/operando. Os principais objetivos destas investigações são: i) os potenciais eletroquímicos necessários para a adsorção/dessorção de íons metálicos, e ii) mudanças estruturais durante processos eletroquímicos.

O projeto visa o estudo e aplicação da otimização topológica na resolução de problemas de elasticidade tridimensional, estendendo-se a formulação estática linear para problemas da dinâmica não-linear considerando grandes deformações e o modelo hiperelástico-plástico. Com isso, avança-se no estudo de problemas de otimização para casos mais gerais, tanto do ponto de vista do espaço como da incorporação de fenômenos físicos mais complexos e relevantes para estruturas mais esbeltas e flexíveis.Considera-se como outro diferencial do trabalho a incorporação de um acoplamento entre fluido e estrutura em que se introduz no modelo as ações devidas ao vento advindas da análise pelo túnel de vento numérico mediante o uso do método da dinâmica dos fluidos computacional, mais conhecido do inglês por CFD (Computational Fluid Dynamics). De modo que os históricos das ações são obtidos e incorporados na análise dinâmica para seu uso como dado de entrada para o método de otimização topológica. Neste tocante, emprega-se o método denominado de BESO (Bi Directional Evolutionary Structural Optimization) em conjunto com técnicas de filtro para mitigar os problemas de picos de energia indevidos localizados em certas regiões em consequência da metodologia intrínseca de retirada e inserção abrupta. É notório que estes picos podem influenciar na convergência do processo, uma vez que os fatores de sensibilidade para minimizar o problema são baseados em energia.Todo o projeto deve ser desenvolvido usando rotinas próprias em códigos implementados em linguagem FORTRAN para o caso das análises da elasticidade dinâmica não-linear e o método de otimização BESO e a linguagem C++ é empregada pelo código aberto OpenFoam para a análise em túnel de vento numérico pelo CFD.

Baterias de lítio-enxofre (Li-S) têm apresentado resultados promissores, como alta capacidade de carga e densidade de energia. Por outro lado, o fenômeno conhecido como efeito shuttle é uma de suas maiores desvantagens, que gera uma perda progressiva e irreversível de material ativo (enxofre), reduzindo significativamente o número de ciclos das mesmas. No entanto, para inibir o efeito shuttle e estender a vida útil das baterias de Li-S, diversos materiais carbonáceos têm sido estudados como hospedeiros para o enxofre, inibindo sua expansão volumétrica e adsorvendo polissulfetos de lítio intermediários dissolvidos no eletrólito. Recentemente, o uso de materiais cerâmicos derivados de precursores poliméricos como hospedeiros de enxofre em cátodos de baterias de Li-S tem demonstrado uma boa adsorção de polissulfetos de lítio, proporcionando uma vida útil mais longa para essas baterias, incluindo-se um recente trabalho do autor desta proposta. Logo, para estudar a aplicação de novos materiais para essa finalidade, técnicas in-situ e operando são importantes para analisar a estabilidade dos mesmos e a formação de novos compostos durante os processos de carga e descarga da bateria. Para tanto, as técnicas de espectroscopia FTIR e Raman apresentam alta sensibilidade a mudanças estruturais que ocorrem na superfície, enquanto outras são mais sensitivas a mudanças no bulk dos eletrodos. Dessa forma, é de grande importância o emprego de análises complementares, para observar diferentes fenômenos que ocorrem durante as reações eletroquímicas. Dentre essas, destacam-se técnicas como espectroscopia de absorção de Raio-X, que apresenta informações sobre os estados químicos dos materiais, podendo evidenciar a formação de sulfeto de lítio (Li2S) e enxofre. Além disso, técnicas de imageamento também são importantes, como microscopia de transmissão de Raio-X, que pode evidenciar mudanças morfológicas do material durante condições de carregamento e descarregamento. Desse modo, esse projeto proporcionará uma melhor compreensão do desempenho dos materiais cerâmicos durante o processo de adsorção de polissulfetos de lítio dissolvidos no eletrólito, as quais poderão colaborar para o aprimoramento das baterias de Li-S, como o desenvolvimento de novos materiais, contribuindo para futuras aplicações comerciais destas baterias.

Leitos fluidizados são geralmente utilizados quando se deseja aumento na transferência de massa e/ou calor, sendo comumente encontrados em processos farmacêuticos (granulação de comprimidos), mineração (separação e classificação de sedimentos) e saneamento (tratamento de água), por exemplo. Com a crescente procura de minerais e tratamento de água em todo o mundo, a melhoria destes processos é crucial para alcançar o desenvolvimento económico e os objectivos de protecção ambiental. As aproximações reológicas disponíveis para suspensões granulares densas, como leitos fluidizados muito estreitos, não descrevem bem o comportamento interpartículas na presença de atrito e, portanto, aproximações reológicas precisas podem auxiliar na seleção de materiais e no projeto de leitos fluidizados estreitos. para as diversas aplicações acima mencionadas. Com base neste cenário, propomos para este projeto: I) a medição precisa dos coeficientes de atrito sólido-sólido e efetivo para meios granulares; II) a validação dos coeficientes de atrito partícula-partícula obtidos experimentalmente e em simulações resolvidas CFD-DEM (dinâmica de fluidos computacional - método dos elementos discretos). Os experimentos serão realizadas no Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) da École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) e as simulações utilizarão o cluster da ENSAM, ambas sob a supervisão do Dr. Jorge Peixinho. Vale ressaltar que o Dr. Peixinho já está colaborando com a UNICAMP e a FAPESP por meio de uma bolsa Sprint FAPESP-CNRS (no âmbito de uma bolsa JP2 - Jovem Pesquisador Fase 2, processo n. 2018/14981-7, na qual a bolsa de doutorado de Vinicius Oliveira está inserido). Dadas as suas diversas aplicações, uma melhor compreensão dos leitos fluidizados sólidos-líquidos estreitos tem um impacto direto na proteção ambiental, no saneamento, na saúde humana e na mineração. Em termos práticos, o estágio BEPE será importante para a formação do doutorando, a bolsa JP2, a colaboração UNICAMP-ENSAM e as colaborações CNRS-FAPESP.

A presença de contaminantes orgânicos no meio ambiente é motivo de preocupação crescente, pois podem prejudicar os organismos aquáticos e acumular-se no corpo humano através da amplificação da cadeia biológica. Nesse sentido, a presença de contaminantes orgânicos tem sido reconhecida como um dos principais problemas ambientais que a humanidade enfrenta atualmente. A aplicação de processos eletroquímicos oxidativos avançados (PEOA) no tratamento de contaminantes orgânicos mantém a promessa de abordar eficazmente a poluição por contaminantes orgânicos, atingindo sua mineralização completa. No entanto, ainda existem vários desafios científicos e de engenharia a serem enfrentados para garantir a aplicação bem-sucedida da tecnologia PEOA para níveis mais elevados de prontidão tecnológica. Esta solicitação de estágio de pesquisa no exterior propõe avançar ainda mais na compreensão fundamental e de engenharia dos PEOA. Vou me concentrar no estudo do tratamento PEOA de um dos principais desreguladores endócrinos em corpos d'água, o Bisfenol F. Para levar a cabo esta proposta, um eletrodo de difusão de gás à base de carbono Printex L6 (CP-L6) modificado com SnO2-Nb2O5 que tem previamente otimizados durante a fase de pós-doutorado no Brasil serão implementados em sistemas de alto padrão. O material eletrocatalítico de última geração será utilizado para permitir maior eficácia na degradação do PEOA desses contaminantes via peróxido de hidrogênio (H2O2) eletrogerado no compartimento catódico. No compartimento anódico, ânodo de diamante dopado com boro e ânodo dimensionalmente estável serão usados para degradar o bisfenol F. Exploraremos sinergias de diferentes oxidantes eletrogerados, incluindo espécies reativas de oxigênio (ou seja, radical hidroxila), espécies ativas de cloro e espécies de radicais sulfato. Os parâmetros operacionais que impulsionam o desempenho e a competitividade do PEOA em escala superior serão avaliados em termos de indicadores-chave de desempenho relacionados à remoção de contaminantes, eficiência e energia. O projeto contribuirá para o avanço do conhecimento sobre um problema global e emergencial, buscando soluções para a remoção de contaminantes orgânicos.

O sistema de transporte ferroviário é essencial para o transporte de cargas e passageiros no mundo, e nas últimas décadas os avanços na tecnologia dos trens permitiu um grande aumento na capacidade de carga e na velocidade dos veículos. Neste contexto, foi necessário o desenvolvimento de métodos sofisticados de análise dinâmica para avaliação do comportamento dos sistemas estruturais de pontes ferroviárias, uma vez que as grandes cargas e elevadas velocidades induzem respostas dinâmicas significativas na estrutura da ponte e a interação entre os subsistemas do veículo, via e estrutura é relevante para a obtenção de respostas precisas na análise estrutural da ponte e das condições de conforto e segurança de tráfego dos veículos. A modelagem numérica de sistemas estruturais de pontes ferroviárias é complexa, envolvendo a consideração das características da estrutura, da via e do veículo e não linearidades no contato roda-trilho. Além disso, há um grande grau de incerteza com relação às diferentes variáveis envolvidas na análise que devem ser consideradas para obtenção de resultados realistas. Assim, análises probabilísticas se mostram como ferramentas necessárias para o estudo de sistemas estruturais de pontes ferroviárias e do comportamento dos trens diante das incertezas existentes para garantir a segurança estrutural e de circulação nos estados limites de serviço e último. Diante desta motivação, este projeto propõe o desenvolvimento de uma metodologia de análise probabilística de segurança de circulação e segurança estrutural em pontes ferroviárias utilizando modelos de interação veículo-estrutura para avaliação explícita dos coeficientes de descarrilamento sob ação de excitações laterais significativas. Além disso, é proposto o desenvolvimento de uma metodologia de previsão das forças de contato através de algoritmos baseado em inteligência artificial que otimize os algoritmos de interação e viabilize múltiplas avaliações dos modelos de interação.