Este projeto de iniciação científica tem como objetivo investigar como diferentes ligantes orgânicos influenciam as propriedades magnéticas de estruturas organometálicas (MOFs) bidimensionais baseados em ftalocianinas, com foco em sistemas que formam redes quadradas. Usando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e o software Quantum ESPRESSO, será calculado o acoplamento magnético entre íons metálicos, visando determinar se o sistema exibe comportamento ferromagnético ou antiferromagnético. Além disso, o projeto inclui a estimativa da energia de anisotropia magnética e da temperatura de Curie, propriedades fundamentais para o entendimento do magnetismo em materiais bidimensionais. Recentes avanços na literatura sobre altermagnetismo - uma nova forma de comportamento magnético onde há quebra de simetria temporal com magnetização antiparalela - também serão explorados para avaliar a possível manifestação desse fenômeno em sistemas orgânicos. Através da simulação computacional e do estudo de interações magnéticas, espera-se contribuir para o desenvolvimento de novos materiais 2D com aplicações tecnológicas em dispositivos magnéticos e eletroquímicos. Este estudo também proporcionará ao estudante uma formação sólida em técnicas avançadas de simulação e análise de propriedades magnéticas, preparando-o para futuras investigações científicas na área de novos materiais. (AU)

O complexo respiratório I é a maior proteína de membrana assimétrica conhecida e é responsável por transduzir aproximadamente metade da energia química utilizada em uma célula. Ele catalisa a transferência de elétrons do metabólito NADH para a coenzima Q, acoplada ao bombeamento de prótons e à geração de um gradiente eletroquímico transmembranar. Apesar de décadas de pesquisa, questões fundamentais ainda persistem, especialmente sobre os mecanismos de acoplamento e regulação da enzima. Aqui, propomos aplicar metodologias avançadas de simulação molecular, em combinação com resultados experimentais obtidos por colaboradores, para elucidar esses aspectos mecanísticos do complexo I.Em particular, investigaremos os estados de protonação dos resíduos nos sítios de ligação da coenzima Q e na região transmembranar central, sob diferentes condições de ocupação e composição do substrato, usando uma nova e robusta implementação de simulações de dinâmica molecular com pH constante (CpHMD) e potenciais híbridos de mecânica quântica/mecânica molecular (QM/MM) para processos de transferência de prótons. Também determinaremos o mecanismo molecular detalhado para a transição estrutural entre as formas ativa e desativa (A-D, ou fechada-aberta) do complexo I de mamíferos, incluindo mudanças em sua hidratação interna e exposição dos sítios de ligação da coenzima Q, que regulam a função da enzima e previnem a transferência reversa de elétrons. Para esta segunda parte, uma combinação de métodos de inteligência artificial, simulações de dinâmica molecular, modelos de estado de Markov e densidades experimentais de cryo-EM serão usados para mapear os caminhos de transição e estimar a termodinâmica e cinética para a conversão estrutural (A-D). Esses caminhos também podem revelar sítios de ligação putativos para modularadores de pequenas moléculas da transição regulatória com relevância biomédica para o tratamento de lesões por isquemia-reperfusão e doenças metabólicas.A pesquisa proposta aqui é ambiciosa, mas totalmente viável, dada a experiência do candidato e o trabalho pioneiro do nosso grupo de pesquisa em simulações moleculares da cadeia de transporte de elétrons. Esta proposta continuará nossa colaboração atual com a Universidade de Cambridge (Reino Unido), onde estudos estruturais e cinéticos serão diretamente comparados, refinados e validados em relação às nossas simulações. (AU)

A dinâmica molecular ab initio tem sido empregada para construir materiais amorfos, envolvendo:(i) a geração de um sistema amorfo dentro de células periódicas;(ii) o uso de um ensemble de volume ou pressão constante;(iii) a aplicação de uma rampa térmica para mimetizar condições experimentais; e(iv) o uso de um passo de tempo específico para a evolução dinâmica.Esses métodos enfrentam desafios, como a necessidade de grandes células periódicas para evitar ordenação local, custos computacionais elevados com ensembles de pressão constante e limitações na simulação de efeitos que ocorrem em escalas de tempo de frações de nanosegundos. Para superar esses desafios, este projeto busca desenvolver estratégias e protocolos para a construção realista de materiais amorfos, combinando dinâmica molecular ab initio com abordagens de ciência de dados.A construção de sistemas amorfos realistas é crucial para investigar as propriedades de transporte eletrônico de materiais desordenados, incluindo mobilidade de portadores de carga, condutividade e o papel de estados localizados. Compreender essas propriedades é essencial para a otimização de materiais amorfos voltados para dispositivos eletrônicos e spintrônicos de alta eficiência energética.Além disso, esses métodos têm aplicações mais amplas, indo além dos sistemas amorfos, permitindo o estudo de fenômenos em materiais cristalinos desordenados, como ligas de alta entropia e sistemas com defeitos aleatórios, que são de grande interesse na ciência e engenharia de materiais. Ao integrar a análise de transporte eletrônico, este projeto conecta a modelagem estrutural com a previsão de propriedades funcionais, avançando o design de novos materiais para tecnologias emergentes.

O presente projeto tem como objetivo aplicar ferramentas de inteligência artificial (IA) para aprevisão da energia de formação de vacâncias em materiais 2D. Tais materiais são promissores paradiversas aplicações tecnológicas, como eletrônica flexível e catálise, e compreender suaspropriedades de defeitos estruturais, como as vacâncias, é fundamental para o desenvolvimento dedispositivos eficientes. (AU)

Este projeto tem como objetivo aplicar ferramentas de inteligência artificial (IA) para prever ageometria de empilhamento mais estável em bicamadas de materiais 2D. Os materiais 2D têm atraído grande interesse devido às suas propriedades eletrônicas e mecânicas únicas, sendo o empilhamento de bicamadas um fator chave para modulação de tais propriedades. Entender como essas camadas se organizam em uma estrutura estável é essencial para o design de novos dispositivos. (AU)

Os potenciais interatômicos de aprendizado de máquina (MLIPs) combinam a precisão de métodos quânticos com a eficiência computacional dos campos de força clássicos, permitindo simulações de átomos, moléculas, biossistemas, sólidos, superfícies e nanomateriais. Recentemente, MLIPs avançados que utilizam representações equivariantes e redes neurais de grafos profundos, conhecidos como "modelos universais", têm se destacado. Avaliaremos a universalidade dos UIPs disponíveis, como MACE e CHGNet, em tarefas de generalização, validando sua eficiência para o fine-tuning de modelos especializados e ampliando a cobertura do espaço de materiais no dataset de treinamento. Aplicaremos esses potenciais em simulações de dinâmica molecular de interesse do LNNano, incluindo propriedades estruturais dinâmicas de nanomateriais. Exemplos incluem a simulação de experimentos do Laboratório Nacional de Nanotecnologia, como processos de ruptura de nanoflakes de materiais 2D, sistemas twisted 2D, e nanoclusters de óxidos, visualizados por microscopia de alta resolução (HRTEM) in situ. Nosso objetivo é o desenvolvimento e validação metodológica, além de resultados aplicados aos sistemas físicos mencionados. (AU)

Propomos a realização de um estudo a respeito de materiais porosos onde serão abordadas suas propriedades mecânicas e de interação com diferentes fluidos. Um dos interesses é aplicar métodos de dinâmica molecular atomística com potenciais reativos para estudar tais sistemas. Especial atenção será dada ao estudo da possibilidade de criação de membranas separadoras para misturas de gases, ou de soluções salinas em água, com vistas a desalinização. Para este estudo serão utilizados, inicialmente, potenciais reativos como o Airebo e o ReaxFF, bastante testados para diversas estruturas contendo grande número de átomos.Em uma etapa mais avançada o aluno terá a oportunidade de se familiarizar com as bases teóricas e técnicas básicas utilizadas na descrição quântica dos sistemas porosos de interesse, especialmente a Teoria do Funcional Densidade (DFT) e a aproximação tight binding (DFTB).

A combinação de simulações computacionais e ferramentas de inteligência artificial tem sido explorada em várias áreas da mecânica dos fluidos, mas escoamentos multifásicos ainda precisam de maior investigação. Neste trabalho, serão aplicadas técnicas de inteligência artificial para a solução de problemas observados em diversos processos industriais que envolvem escoamentos multifásicos complexos, como o transporte e processamento de petróleo na indústria petroquímica e o controle de misturas de substâncias na indústria alimentícia. Focando nas dinâmicas de gotas, os objetivos serão predizer propriedades, como as transferências de energia, e definir antecipadamente se haverá coalescência, ricochete ou atomização. Para isso, a arquitetura Vision Transformer (ViT) será explorada em diferentes dinâmicas de gotas, como o espalhamento e a colisão. Uma das limitações de tais aplicações, porém, é que os treinamentos dos modelos requerem um grande volume de dados. Neste sentido, visando reduzir os custos associados à expansão de conjuntos de dados, também será aplicada uma técnica de inteligência artificial generativa chamada Modelo Probabilístico de Difusão para Remoção de Ruído (DDPM) para a geração de dados artificiais. Ao final do projeto, uma nova metodologia será apresentada a fim de auxiliar nos desafios de modelagem de escoamento de gotículas.

Com o objetivo de analisar o potencial de aplicação de mancais de deslizamento em turbinas eólicas, o candidato selecionado irá desenvolver modelos estocásticos para lubrificação que permitam considerar a influência das incertezas nos parâmetros de projeto (e.g. geometria), propriedades dos materiais (e.g. viscosidade do lubrificante) e condições operacionais (e.g. carregamentos e velocidades) no comportamento tribológico desses componentes para diferentes condições de operação. A discretização da equação de Reynolds estocástica através do método PCE (Polynomial Chaos Expansion) e a aplicação de filtros de Kalman não-lineares para a estimação de parâmetros em sistemas estocásticos são duas abordagens que serão investigadas no trabalho para a consideração das incertezas nas análises dos mancais estudados. O candidato implementará os modelos desenvolvidos na plataforma computacional para a simulação de mancais de deslizamento que será desenvolvida por outras frentes do grupo de pesquisa. Posteriormente, o candidato realizará simulações para avaliar o efeito das incertezas nas velocidades e carregamentos atuantes no desempenho de mancais de deslizamento para turbinas eólicas. O candidato também auxiliará nas análises da influência da sinergia entre efeitos térmicos, texturização de superfícies, uso de diferentes materiais/recobrimentos superficiais e reologia do lubrificante no desempenho tribológico desses mancais. O resultado desse trabalho poderá contribuir para o desenvolvimento de novos estudos de excelência e novas tecnologias de mancais de deslizamento de alto desempenho, durabilidade de confiabilidade. Além disso, o trabalho será divulgado em artigos científicos e trabalhos apresentados em congresso.

A pesquisa visa caracterizar a taxa de infiltração de ar em residências térreas unifamiliares brasileiras urbanas. A taxa de infiltração, que corresponde à renovação de ar pela envolvente da edificação quando todas as janelas e portas estão fechadas, é um aspecto crucial para o desempenho térmico das habitações. A escolha das residências como objeto de estudo se deve à existência de normas da ABNT que regulamentam seu desempenho térmico. O estudo busca fornecer dados que possam ser incorporados em futuras revisões dessas normas, contribuindo para a eficiência energética das edificações brasileiras. A norma ABNT NBR 15575 prescreve uma tabela com valores de dados de entrada para simulações computacionais de desempenho térmico, incluindo o cálculo da taxa de infiltração, baseados em estudos internacionais. A metodologia do projeto consiste na combinação de medições in loco e simulações computacionais, visando obter resultados robustos e abrangentes. Será realizada uma busca em trabalhos nacionais que já realizaram o levantamento do parque edificado de habitações para obtenção de modelos para simulação. A pesquisa busca preencher uma lacuna de estudos no Brasil, que carece de avaliações in loco das taxas de infiltração de ar em edificações, especialmente quando todas as janelas e portas externas estão fechadas. Conhecer a taxa de infiltração correta das edificações é fundamental para tomadas de decisões visando a redução do consumo energético