Nome do Projeto
Estudo Teórico-Computacional de Nanoclusters e Nanoestruturas via Teoria do Funcional da Densidade
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/07/2021 - 30/09/2025
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
O presente projeto visa dar continuidade ao estudo teórico-computacional de nanoclusters e nanoestruturas via Teoria do Funcional da Densidade já iniciado no quadriênio anterior. Nanoclusters e nanoestruturas consistem em sistemas de dimensões nanométricas que ocupam um lugar muito importante tanto no que diz respeito à ciência básica como em uma variedade de aplicações tecnológicas. Esses sistemas possuem propriedades novas que diferem das propriedades de seus constituintes e de seus respectivos sistemas macroscópicos, ou seja, são referidos como o elo de ligação entre átomos e cristais. Além de possuírem uma grande razão de átomos de superfície, o que os torna reativos com o ambiente, também possuem suas propriedades suscetíveis à variações com a adição ou remoção de um único átomo. Logo, o estudo das estruturas geométricas e eletrônicas e de suas propriedades físicas e químicas é de grande relevância, ajudando na compreensão de um grande número de tópicos de Física da Matéria Condensada. O estudo dos sistemas nanométricos pode se dar tanto teoricamente quanto experimentalmente, nesse projeto, visamos aplicar uma metodologia baseada no estudo teórico-computacional, com ênfase na simulação computacional. A justificativa para isso, reside no crescente desenvolvimento de recursos computacionais e à implementação de aproximações teóricas que envolvem o estado da arte em simulação computacional e permitem realizar cálculos sofisticados, revelando propriedades físicas e químicas de sistemas em nanoescala. Sendo assim, ao longo do presente projeto, fazendo uso de cálculos de primeiros princípios baseado na Teoria do Funcional da Densidade, estudaremos: (i) a estrutura atômica e a estabilidade de nanoclusters e nanoestruturas e as variações de comportamento e propriedades devido às mudanças na geometria. (ii) Interação de nanoclusters com sistemas moleculares, tanto no quesito de adsorção molecular quanto no quesito de efeitos de ambientes químicos (ligantes). (iii) Estudo de nanoclusters binários visando o entendimento de propriedades energéticas, eletrônicas e catalíticas. (iv) Estudo da interação entre nanoclusters e nanoestruturas, assim como, a deposição de nanoclusters sobre nanoestruturas e substratos. (v) E, por fim, estudo de sistemas cristalinos e outros sistemas químicos e moleculares de interesse.
Objetivo Geral
(i) Desenvolver pesquisa teórica na área de materiais nanométricos, especificamente nanoclusters e nanoestruturas, fazendo uso do estado da arte em simulação computacional.
(ii) Desenvolver a pesquisa na área de Física de nanoclusters e nanoestruturas fazendo uso de cálculos de primeiros princípios, na Universidade Federal de Pelotas.
(iii) Continuar o desenvolvimento e expansão do grupo de simulação computacional já em atividade na Universidade Federal de Pelotas (Grupo Teórico-Computacional de Matéria Condensada – GTCMC).
(iv) Orientar e contribuir para a formação de recursos humanos na área de desenvolvimento do projeto.
(v) Colaborar com outras instituições, através de atividades integradas de pesquisa e divulgação científica.
(vi) Realizar a publicação e divulgação científica dos resultados obtidos através da publicação de artigos científicos e via apresentação em eventos científicos.
(vii) Realizar estudo teórico, através de cálculos de primeiros princípios, de propriedades energéticas, estruturais e eletrônicas de nanoclusters e nanoestruturas, com ênfase no estudo da estrutura atômica e estabilidade.
(viii) Estudar a interação de sistemas moleculares com nanoclusters e nanoestruturas, buscando entender o processo de adsorção de tais moléculas, assim como, o processo de estabilização molecular via ligantes (diferentes ambientes químicos).
(ix) Investigar nanoclusters binários, combinando dois elementos químicos, visando a possibilidade de alteração de propriedades físicas e químicas pela variação na composição.
(x) Estudar a interação de nanoclusters e nanoestruturas e o processo de estabilização e deposição de nanoclusters sobre nanoestruturas e substratos.
(xi) Realizar o estudo de sistemas cristalinos e outros sistemas químicos e moleculares de interesse e/ou vinculados diretamente aos clusters e nanoestruturas.
(ii) Desenvolver a pesquisa na área de Física de nanoclusters e nanoestruturas fazendo uso de cálculos de primeiros princípios, na Universidade Federal de Pelotas.
(iii) Continuar o desenvolvimento e expansão do grupo de simulação computacional já em atividade na Universidade Federal de Pelotas (Grupo Teórico-Computacional de Matéria Condensada – GTCMC).
(iv) Orientar e contribuir para a formação de recursos humanos na área de desenvolvimento do projeto.
(v) Colaborar com outras instituições, através de atividades integradas de pesquisa e divulgação científica.
(vi) Realizar a publicação e divulgação científica dos resultados obtidos através da publicação de artigos científicos e via apresentação em eventos científicos.
(vii) Realizar estudo teórico, através de cálculos de primeiros princípios, de propriedades energéticas, estruturais e eletrônicas de nanoclusters e nanoestruturas, com ênfase no estudo da estrutura atômica e estabilidade.
(viii) Estudar a interação de sistemas moleculares com nanoclusters e nanoestruturas, buscando entender o processo de adsorção de tais moléculas, assim como, o processo de estabilização molecular via ligantes (diferentes ambientes químicos).
(ix) Investigar nanoclusters binários, combinando dois elementos químicos, visando a possibilidade de alteração de propriedades físicas e químicas pela variação na composição.
(x) Estudar a interação de nanoclusters e nanoestruturas e o processo de estabilização e deposição de nanoclusters sobre nanoestruturas e substratos.
(xi) Realizar o estudo de sistemas cristalinos e outros sistemas químicos e moleculares de interesse e/ou vinculados diretamente aos clusters e nanoestruturas.
Justificativa
A realização desse projeto visa dar continuidade ao desenvolvimento do campo de pesquisa baseado no estudo da Física de nanoclusters e nanoestruturas, via simulação computacional, no Departamento de Física da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), o que inclui a continuidade do vínculo com o Programa de Pós-Graduação em Física da UFPel, o que no presente momento constitui mais uma opção para alunos de pós-graduação em Física. Além disso, tal projeto está inserido no Grupo Teórico-Computacional de Matéria Condensada – GTCMC vinculado ao CNPq, que tem possibilitado interações e colaborações dentro e fora do Departamento de Física da UFPel.
Justificamos também o presente projeto no quesito de formação de estudantes na área-alvo do projeto, tanto estudantes envolvidos em trabalhos de conclusão de curso, iniciação científica; como também em nível de pós-graduação, envolvidos no mestrado e no doutorado e, até mesmo, supervisão de pós-doutoramento. De igual importância, justificamos o presente projeto no quesito de realizar a publicação e divulgação científica sobre o tema pesquisado, ou seja, sobre o estudo teórico-computacional de nanoclusters e nanoestruturas via Teoria do Funcional da Densidade.
Por fim, a justificativa científica do presente projeto reside no estudo de sistemas nanométricos, mais especificamente nanoclusters e nanoestruturas, os quais têm suma importância em termos de pesquisa científica, dadas as inúmeras aplicações tecnológicas, de grande importância para a sociedade.
Justificamos também o presente projeto no quesito de formação de estudantes na área-alvo do projeto, tanto estudantes envolvidos em trabalhos de conclusão de curso, iniciação científica; como também em nível de pós-graduação, envolvidos no mestrado e no doutorado e, até mesmo, supervisão de pós-doutoramento. De igual importância, justificamos o presente projeto no quesito de realizar a publicação e divulgação científica sobre o tema pesquisado, ou seja, sobre o estudo teórico-computacional de nanoclusters e nanoestruturas via Teoria do Funcional da Densidade.
Por fim, a justificativa científica do presente projeto reside no estudo de sistemas nanométricos, mais especificamente nanoclusters e nanoestruturas, os quais têm suma importância em termos de pesquisa científica, dadas as inúmeras aplicações tecnológicas, de grande importância para a sociedade.
Metodologia
O presente projeto de simulação computacional de nanoclusters e nanoestruturas será dividido em sub-projetos que estudarão situações específicas como, por exemplo, linhas de trabalho que visarão o estudo de nanoclusters e nanoestruturas individualmente em termos de estabilidade e estrutura atômica, interagindo entre si e com moléculas, sistemas binários, também o estudo da interação de nanoclusters depositados sobre nanoestruturas e substratos. Dessa forma, teremos a oportunidade de pesquisar e tratar nanoclusters e nanoestruturas em diferentes ambientes químicos. Além disso, faremos uso de diferentes metodologias computacionais, visando o correto tratamento computacional dos mais diversos elementos químicos envolvidos na configuração dos nanoclusters e nanoestruturas.
De uma forma geral, a seguinte estratégia de ação será empregada:
- Revisão da literatura, com delimitação e embasamento dos problemas específicos a serem estudados, no intuito de fundamentação bibliográfica.
- Construção das configurações a serem estudadas, através do uso de estratégias de criação de estruturas e/ou utilização de programas computacionais.
- Realização dos cálculos de simulação computacional, fazendo uso de pacotes computacionais (por exemplo, VASP) utilizando clusters de computadores.
- Análise e interpretação dos resultados obtidos, com elaboração de tabelas e figuras sistematizando e representando os resultados.
- Divulgação dos resultados relevantes através da elaboração de artigos científicos, para publicação em revistas internacionais com alto fator de impacto e apresentação de trabalhos em eventos científicos.
De uma forma geral, a seguinte estratégia de ação será empregada:
- Revisão da literatura, com delimitação e embasamento dos problemas específicos a serem estudados, no intuito de fundamentação bibliográfica.
- Construção das configurações a serem estudadas, através do uso de estratégias de criação de estruturas e/ou utilização de programas computacionais.
- Realização dos cálculos de simulação computacional, fazendo uso de pacotes computacionais (por exemplo, VASP) utilizando clusters de computadores.
- Análise e interpretação dos resultados obtidos, com elaboração de tabelas e figuras sistematizando e representando os resultados.
- Divulgação dos resultados relevantes através da elaboração de artigos científicos, para publicação em revistas internacionais com alto fator de impacto e apresentação de trabalhos em eventos científicos.
Indicadores, Metas e Resultados
Os indicadores, metas e resultados esperados vão se concentrar na publicação de artigos científicos em revistas internacionais indexadas e arbitradas, na participação em eventos científicos relevantes e na formação de recursos humanos, ou seja, alunos de graduação (envolvidos em trabalhos de conclusão de curso e trabalhos de iniciação científica) e pós-graduação (mestrado, doutorado e pós-doutorado).
Em termos científicos, os resultados previstos estarão divididos em sub-projetos. No que diz respeito ao problema da determinação das estruturas atômicas e estabilidade de nanoclusters e nanoestruturas, esperamos realizar um estudo da evolução dos nanoclusters com o tamanho; também realizar estudos focados em tamanhos específicos, usando a ideia de números mágicos. Esperam-se resultados que visem melhorar o entendimento de tais sistemas, com a verificação de tendências ao longo da tabela periódica, bem como, realizando a obtenção de melhor compreensão sobre a estabilidade desses sistemas. Espera-se, também, uma ampliação no entendimento envolvido no quesito do emprego da metodologia adequada ao tratamento dos sistemas nanométricos. Também resultados que tragam luz à questões ainda pouco exploradas como a interação de nanoclusters com sistemas moleculares, com nanoestruturas e depositados sobre substratos. Assim como, sistemas binários que podem ser relevantes para melhorar determinadas propriedades físicas e químicas e até viabilizar a redução de custos. Por fim, espera-se também poder obter resultados envolvendo sistemas correlatos, como cristais e sistemas químicos e moleculares de grande interesse.
Em termos científicos, os resultados previstos estarão divididos em sub-projetos. No que diz respeito ao problema da determinação das estruturas atômicas e estabilidade de nanoclusters e nanoestruturas, esperamos realizar um estudo da evolução dos nanoclusters com o tamanho; também realizar estudos focados em tamanhos específicos, usando a ideia de números mágicos. Esperam-se resultados que visem melhorar o entendimento de tais sistemas, com a verificação de tendências ao longo da tabela periódica, bem como, realizando a obtenção de melhor compreensão sobre a estabilidade desses sistemas. Espera-se, também, uma ampliação no entendimento envolvido no quesito do emprego da metodologia adequada ao tratamento dos sistemas nanométricos. Também resultados que tragam luz à questões ainda pouco exploradas como a interação de nanoclusters com sistemas moleculares, com nanoestruturas e depositados sobre substratos. Assim como, sistemas binários que podem ser relevantes para melhorar determinadas propriedades físicas e químicas e até viabilizar a redução de custos. Por fim, espera-se também poder obter resultados envolvendo sistemas correlatos, como cristais e sistemas químicos e moleculares de grande interesse.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| IURI LOURENÇO PESSANHA | |||
| JADE LACERDA FERNANDES | |||
| JOÃO PAULO CERQUEIRA DOS SANTOS FELIX | |||
| JOÃO PAULO CERQUEIRA DOS SANTOS FELIX | |||
| João Marcos Tomaz Palheta | |||
| Jônatas Favotto Dalmedico | |||
| LEONARDO PAIVA CONTRERAS | |||
| MAURICIO JEOMAR PIOTROWSKI | 14 | ||
| OCTAVIO RODRIGUES FILHO | |||
| Thiago Ferreira Santos | |||
| Wanderson Souza Araújo | |||
| Wesley Oliveira Morais |