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Type: TESE
Degree Level: Doutorado
Title: Análises teóricas e simulações aplicadas a estratégias racionais de design de materiais nanoestruturados : Theoretical analysis and simulations applied to rational design strategies of nanostructured materials
Title Alternative: Theoretical analysis and simulations applied to rational design strategies of nanostructured materials
Author: Moura, Francisco Alírio Almeida Gomes de, 1985
Advisor: Galvão, Douglas Soares, 1961-
Abstract: Resumo: Esse documento apresenta uma coleção de trabalhos realizados dentro do amplo campo de materiais nanoestruturados, focando-se em descrições teóricas analíticas e simulações computacionais de diversos novos materias desse tipo. Uma nova fibra supereslástica e condutora é reportada. Essa fibra altamente esticável (até 1320%) é criada envolvendo-se um núcleo cilíndrico de borracha com uma camada de folha de nanotubos de carbono. O material resultante exibe uma interessante estrutura de enrugamentos hierárquicos na sua superfície, o que lhe garante propriedades elétricas úteis como conservar a sua resistencia constante enquanto esticada. Adicionando-se mais camadas de borracha ou nanotubos podemos obter aplicações como sensores de movimento ou deformação, atuadores/músculos artificiais ativados por corrente ou temperatura e operados reversivelmente por um mecanismo de acoplamento entre tensão e torção. Nós explicamos suas propriedades de condução elétrica e os fenômenos físicos envolvidos em cada uma dessas aplicações. Também desenvolvemos um novo método para o desenho racional de polímeros molecularmente impressos usando dinâmica molecular para simular o processo de impressão molecular e a análise subsequente utilizando experimentos de cromatografia simulada. Obtivemos com sucesso a primeira evidência teórica do mecanismo de impressão exibindo afinidade e seletividade para a substância alvo 17-beta-estradiol. Desenhamos e simulamos uma nova estrutura com formato de piramide em kirigami de grafeno, composta de uma folha de grafeno cortada em um padrão específico a fim de formar uma pirâmide quando sofre tensão na direção normal ao plano. Nós calculamos a resposta dessa estrutura a uma carga estática, quando ela age como uma mola de proporções nanométriacs. Também, utilizando simulações de dinâmica molecular de colisões balísticas, constatamos que a resistência desse material a impactos é ainda maior que de uma folha de grafeno puro, sendo ainda mais leve. Um novo método de reforçar fios de nanotubos de carbono, chamado ITAP, também é reportado. Esse método foi capaz de melhorar a resistencia mecanica do fio em até 1,5 vezes e torná-lo muito mais resistente ao ataque de ácido quando comparado com um fio não tratado. Utilizamos simulações de dinâmica molecular para testar a hipótese de que esse tratamento é suficiente para gerar ligações covalentes entre as paredes externas de nanotubos diferentes, o que seria responsável pelas propriedades do material. Aplicamos um algoritmo genético modificado ao problema do folding de proteínas em um modelo de rede 3D HP. Testamos o algoritmo utilizando um conjunto de sequencias de teste que têm estado em uso pelos últimos 20 anos na literatura. Fomos capazes de melhorar um dos resultados e demonstramos a aplicação e utilidade de operadores não canônicos que evitam a convergência prematura do algoritmo, sendo eles o operador de compartilhamento e efeito maternal

Abstract: This document presents a colection of works done within the broad subject of nano-structured materials, focusing on analytical theoretical descriptions and computational simulations of new kinds of this class of materials. A new superelastic conducting fiber is reported, with improved properties and functionalities. They are highly stretchable (up to 1320%) conducting fibers created by wrapping carbon nanotube sheets on stretched rubber fiber cores. The resulting structure exhibited an interesting hierarchical buckled structure on its surface. By including more rubber and carbon nanotube layers, we created strain sensors, and electrically or thermally powered tensile and torsional muscles/actuators operating reversibly by a coupled tension-to-torsion actuation mechanism. We explain its electronic properties and quantitatively explain the compounded physical effects involved in each of these applications. We also developed a new method for the rational design of molecularly imprinted polymers using molecular dynamics to simulate the imprinting process and subsequent chromatography studies. We successfully obtained the first theoretical evidence of actual imprinting happening under unconstrained simulations showing affinity and selectivity to the target substance 17-beta estradiol. We designed and simulated a new graphene kirigami pyramid structure, composed of a cut graphene sheet in a specific pattern in order to form a pyramid when under stress perpendicular to the plane. We calculated the response to static loading of this structure that acts like a nano-sized spring. Also, with simulated ballistic collisions we obtained increased resistance to impact in comparison with a pure graphene sheet. A new method of strengthening carbon nanotube yarns, called ITAP, consisting of annealing at high temperature in vacuum is reported. This method is shown to increase the mechanical resistance of the wire up to 1.5 times and make it much more resistant to acid corrosion when compared to pristine non-treated wires. We applied a modified genetic algorithm to the protein folding problem using an 3D HP lattice model using known test sequences that have been in use for the last 20 years and obtained an improvement for the best solution found for one of these proteins. Also, the importance of new non-canonical operators that prevent rapid convergence of the algorithm was demonstrated, namely the Sharing and Maternal Effect operators
Subject: Materiais nanoestruturados
Dinâmica molecular
Polímeros molecularmente impressos
Algoritmos genéticos
Dobramento de proteína
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: MOURA, Francisco Alírio Almeida Gomes de. Análises teóricas e simulações aplicadas a estratégias racionais de design de materiais nanoestruturados: Theoretical analysis and simulations applied to rational design strategies of nanostructured materials. 2016. [186] f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/325489>. Acesso em: 17 jun. 2019.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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