Este projeto científico será desenvolvido baseado em simulação computacional e em métodos de física estatística (ensembles clássicos e quânticos) aplicados ao estudo da dinâmica de rede em cristais anarmônicos, termodinâmica estatística de não equilíbrio e transporte de carga em semicondutores, fluxo de tráfego de veículos, modos de vibração em vigas, e de fenômenos físicos experimentais realizados em laboratório. Os métodos estatísticos e de simulação utilizados serão: método do operador estatístico de não equilíbrio, método correlativo não simetrizado do campo autoconsistente, estatística clássica e quântica, abordagem microscópica e macroscópica da dinâmica newtoniana com simulação, simulações numéricas usando o método dos elementos finitos e o software MATLAB.

a) Realizar um extenso e detalhado estudo teórico do semicondutor Carbeto de Silício (SiC), em suas diferentes fases, em situações longe do equilíbrio pela aplicação de campos elétricos ou pulsos de laser. Analisar a evolução temporal dos estados altamente excitados (estados transientes ultra-rápidos) bem como as situações no estado estacionário. Na presença de pulsos de laser e de campos elétricos de moderados a intensos serão analisadas propriedades como: velocidade de arraste e mobilidade de portadores; dinâmica ultra-rápida de portadores; difusão; função de distribuição de portadores e fônons; temperatura efetiva de portadores e fônons; fluxo de energia; condutividade elétrica e térmica; espectros de luminescência e absorção; transporte de calor e efeito termoelétrico.

b) Investigar as propriedades estruturais, a termodinâmica e a dinâmica de rede bem como os efeitos anarmônicos em cristais anarmônicos, com especial ênfase ao grafeno e ao siliceno; Calcular os momentos de correlação quadrática (QCM) e os desvios relativos quadráticos médios (MSRD) atômicos em grafeno e siliceno investigando os efeitos da forte anarmonicidade e da anisotropia; estudo do QCM e MSRD próximos à superfície do cristal; inclusão de correções quânticas ao estudo de QCM e MSRD, visto que até o momento a maioria dos trabalhos sobre este tema se restringiu a uma aproximação clássica; estudo sobre propriedades elásticas, defeitos estruturais: vacâncias, superfícies e impurezas de introdução ou substituição, e interfaces; estudo sobre propriedades termodinâmicas: energia livre de Helmholtz, entropia, dilatação térmica, etc.

c) determinação dos modos de vibração de vigas biengastadas e em balanço.

d) aplicar a dinâmica newtoniana para o estudo do fluxo de tráfego de veículos em vias usando o modelo da diferença de velocidade total (FVD, full velocity difference) obtido de uma extensão do modelo velocidade óptima (OV).

1. Grafeno

O grafeno (veja Fig. 1) é uma das formas cristalinas do carbono [9], assim como o diamante, o grafite, os nanotubos de carbono e fulerenos. Esse material pode ser considerado tão ou mais revolucionário que o plástico e o silício. Quando produzido com alta qualidade pode ser muito forte, leve, quase transparente, um excelente condutor de calor e eletricidade. É o material mais forte já encontrado, consistindo em uma folha plana de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões. É um ingrediente para materiais grafíticos de outras dimensões, como fulerenos, nanotubos ou grafite. Entre as inúmeras aplicações e estudos a que o grafeno tem sido submetido em diversos centros de pesquisa do mundo podemos destacar: 1) estudo de cientistas da Rice University identificou que o óxido de grafeno tem a capacidade de remover material radioativo de água contaminada; 2) cientistas da universidade de Manchester mostraram que o grafeno é impermeável a tudo, exceto à água, abrindo então a possibilidade da aplicação do grafeno para filtrá-la. 3) um papel anti-bactérias feito à base de grafeno foi criado para embalar alimentos na Universidade de Xangai. Como ele só é permeável à água inibe o crescimento de micro-organismos; 4) um sensor de grafeno capaz de monitorar a saúde bucal está em testes na Princeton University; 5) na universidade americana de Columbia, engenheiros usaram o grafeno para desenvolver o menor transmissor de frequência modulada; 6) cientistas da Nanyang Technological University, em Singapura, usaram a sensibilidade à luz do grafeno para criar um sensor para câmeras fotográficas dez vezes melhor que os atuais; 7) em função da baixa densidade e da enorme resistência, o grafeno pode ser usado na confecção de pequenos componentes que devem ser extremamente resistentes; 8) podem ter aplicações como baterias para smartphones e notebooks que são inteiramente recarregadas em pouco tempo; 9) interruptores ópticos para aumentar a velocidade da transmissão de dados; 10) painéis para captação de energia solar; 11) a capacidade de armazenar amônia e outros gases torna o grafeno útil na detecção de vazamentos inclusive o de explosivos; 12) revestimentos para evitar ferrugem; 13) aplicado em camadas o grafeno “esfria” e, por isso, estende a vida útil de componentes eletrônicos; 14) circuitos transparentes podem ser feitos com grafeno, os chamados “espelhos inteligentes”; 15) cientistas da Swinburne University of Technology desenvolveram um disco capaz de armazenar três vezes mais dados que um Blu-ray; 16) um suporte microscópico capaz de armazenar dados. Nele, o grafeno funciona como “papel” e os elétrons, como “tinta”. 17) a IBM vem desenvolvendo pesquisas com grafeno e silício combinados para desenvolver um novo tipo de chip mais potente; 18) engenheiros da Universidade do Michigan usaram o grafeno para desenvolver lentes ultra-finas capazes de capturar imagens em infravermelho; 19) em testes realizados com células animais na Polônia, o grafeno apresentou bons resultados no combate ao glioma (tipo de tumor que aparece no cérebro e na espinha). Ao formar uma rede em torno da célula doente, o grafeno cortava seu suprimento de oxigênio e nutrientes, terminando por levar a célula cancerígena à morte; 20) combinado a um filme elástico de polímero, o grafeno pode ser uma boa matéria-prima para músculos artificiais; 21) células da retina foram substituídas por tecido feito a partir de grafeno em testes realizados por pesquisadores alemães da Technical University of Munich; 22) pesquisadores da universidade de Harvard e do MIT desenvolveram um novo método utilizando o grafeno para sequenciar material genético. [10-12]

 

Figura 1: Estrutura atômica do grafeno.

Assim, é de grande interesse tanto do ponto de vista científico quanto tecnológico o estudo do grafeno.

2. Siliceno

O siliceno (veja Fig. 2) é uma estrutura composta unicamente por átomos de silício [13]. Ele não é plano como o grafeno, apresentando uma estrutura cheia de altos e baixos. A aparência da estrutura do siliceno se assemelha à uma tela de galinheiro, onde cada “nó” da tela é um átomo de silício. O silício, que é a base de toda a eletrônica, é um semicondutor, o que significa que ele pode conduzir eletricidade ou bloquear sua passagem. A vantagem de se utilizar o siliceno é o fato de ser naturalmente semicondutor como o silício, mas ultrafino como o grafeno. Teoricamente, esse novo material deverá ter propriedades equivalentes às do grafeno. Mas sua grande vantagem é que ele é totalmente compatível com o restante da eletrônica, já que é essencialmente o mesmo material já usado atualmente pelo mercado, facilitando o processo de integração. O siliceno poderá aumentar a velocidade e diminuir o gasto de energia das futuras gerações de chips de computador, caso as previsões sejam confirmadas por experimentos que estão em andamento em vários laboratórios ao redor do mundo. O crucial, contudo, é que o siliceno é um semicondutor por natureza, o que o coloca como um material capaz de substituir o silício de forma direta, já tendo sido utilizado em testes em transistores experimentais para demonstração de seu potencial.

Figura 2: Estrutura atômica do siliceno.

Assim, o estudo do siliceno é de grande interesse tecnológico atual, visto que se faz cada vez mais necessário o domínio da tecnologia de semicondutores para que uma nação seja tecnologicamente autossuficiente.

3. Semicondutor Carbeto de Silício (SiC)

Os semicondutores são a base para a fabricação dos processadores que controlam computadores, smartphones, eletrodomésticos, etc. Com a eletrônica cada vez mais presente nos objetos e produtos que nos acompanham diariamente e com o advindo das tão esperadas cidades inteligentes e o crescimento da internet das coisas, não é interessante para nenhum país deixar de investir na pesquisa em semicondutores. Dominar a tecnologia de semicondutores é fundamental para inserir qualquer país nas tendências do futuro, como cidades inteligentes, internet das coisas, exploração espacial, etc. [14].

Um material semicondutor de grande interesse tecnológico atual é o Carbeto de Silício (SiC), Figura 3. Inúmeras aplicações eletrônicas e optoeletrônicas tem sido propostas com base nas propriedades eletrônicas e ópticas básicas do SiC. Existem cinco aplicações primárias de materiais à base de SiC: 1) microestruturas, 2) dispositivos opto-eletrônicos, 3) eletrônicos de alta temperatura, 4) eletrônicos rígidos de radiação e 5) dispositivos de alta potência e alta frequência. As aplicações de microestruturas incluem máscaras de raios-X e estruturas micro-usinadas, como diafragmas de alto-falantes e ferramentas especiais de micro-aplicação. Aplicações optoeletrônicas incluem substratos para a família de dispositivos de nitretos-semicondutores, LEDs (diodos emissores de luz), detectores de ultravioleta, células solares, memórias SiC, inversores SiC, etc. Devido à grande largura de banda dos SiC, quase todos os dispositivos fabricados em SiC podem ser considerados para aplicações em altas temperaturas. Sabe-se que a eletrônica de reatores nucleares, sistemas militares e capacidade de sobrevivência de eletrônica de espaço profundo são muito melhorados com o emprego do SiC. A condutividade térmica e a alta mobilidade de campo dos SiC permitem maior densidade de potência e operação de alta frequência. O SiC pode se formar em muitas estruturas cristalinas distintas conhecidas como politipos, com alguns dos mais comuns sendo o 3C-SiC, o 4H-SiC e o 6H-SiC. Entre os vários politipos de SiC, o 4H-SiC foi reconhecido como o material mais atraente para operação em dispositivos eletrônicos de alta potência, alta frequência e alta temperatura devido a seu maior gap e maior mobilidade de portadores que o de outros politipos.

Figura 3: Principais estruturas atômicas do SiC.

4. Fluxo de Tráfego de Veículos

Os estudos de tráfego têm crescido consideravelmente, devido à enorme concentração veículos provenientes do desenvolvimento do transporte das últimas décadas que atualmente ocupam as vias e causam congestionamento e atrapalham o processo fundamental de transporte dos países quando há um número de veículos elevado em uma via. Portanto seu estudo é de importância fundamental tanto em âmbito estatístico tanto econômico, uma vez que os países dependem do transporte para atender a demanda industrial e comercial. A teoria do fluxo de tráfego consiste na aplicação de leis da matemática, da teoria da probabilidade e da física à descrição do comportamento do tráfego veicular rodoviário. Propomos estudar uma abordagem microscópica da dinâmica newtoniana para o estudo do fluxo de tráfego de veículos em via usando o modelo da diferença de velocidade total (FVD, full velocity difference) obtido de uma extensão do modelo velocidade óptima (OV) que surgiu para incluir a velocidade relativa de forma explícita na manobra do condutor. [15-20]

5. Modos de Vibração em Vigas

O estudo sobre vibrações é de fundamental importância, principalmente quanto às estruturas mecânicas da engenharia, tais como casas, prédios, pontes, motores, fuselagem e turbinas de aviões, etc. [21]

As estruturas são projetadas para resistir a cargas estáticas. Porém, elas podem estar sujeitas a eventos que geram cargas dinâmicas. Este tipo de carga pode causar movimentos vibratórios que podem prejudicar a estrutura e trazer perigo para as pessoas que a utilizam. Uma linha de estudo de bastante interesse é a de vibrações transversais ou axiais de vigas submetidas a determinados vínculos [22]. Esse elemento é um dos modelos fundamentais das estruturas elásticas, e é utilizada em uma variedade de aplicações como, por exemplo, em hélices de helicópteros, satélites flexíveis, asas de aviões, braços robóticos, trilhos de trem e na construção civil. O estudo das respostas elásticas e dinâmicas de componentes estruturais sob várias condições de carga é muito útil para a modelagem e análise do comportamento de estruturas mais reais e complexas sujeitas a carregamentos similares. Assim será realizado um estudo sobre os modos de vibrações de vigas em balanço e engastadas de forma analítica e por simulação pelo método dos elementos finitos. [23-27]