[pt] Nos últimos anos, tem-se observado um interesse crescente em estruturas multiestáveis. Sistemas com múltiplas configurações de equilíbrio estável geralmente são obtidos através de uma cadeia de unidades biestáveis conectadas por elementos rígidos ou flexíveis. Entretanto, pouco se sabe sobre seu comportamento estático e dinâmico não linear. Neste trabalho realiza-se uma análise não linear estática e dinâmica detalhada de sistemas multiestáveis formados por duas unidades biestáveis abatidas, especificamente, duas treliças de von Mises ou dois arcos, conectados em ambos os casos por elementos rígidos ou flexíveis. Para isto, as equações não lineares de equilíbrio e de movimento são obtidas através do princípio da energia potencial estacionária e do princípio de Hamilton, respectivamente, considerando um material elástico linear. Utilizando algoritmos de continuação, os caminhos de equilíbrio são obtidos e a estabilidade analisada utilizando o princípio da energia potencial mínima. Múltiplos caminhos de equilíbrio são identificados, levando a múltiplas soluções coexistentes, estáveis e instáveis, e vales potenciais intimamente ligados às simetrias dos sistemas. O efeito das inevitáveis imperfeições iniciais é também esclarecido. As oscilações não lineares e as bifurcações dos sistemas sob carregamento harmônico são estudadas através de diagramas de bifurcação, mapas de Poincaré e bacias de atração. Estuda-se também o efeito do pré-carregamento estático na dinâmica global. Observam-se, em virtude de sequências de bifurcações emergindo de cada posição de equilíbrio estável, um elevado número de soluções coexistentes, periódicas e aperiódicas, levando a bacias de atração complexas e com amplas regiões fractais. Por um lado, estes cenários podem ser valiosos em diversas aplicações. Por outro, múltiplos atratores e suas bacias fractais podem levar à perda da estabilidade e integridade dinâmica. Desta forma, o conhecimento do comportamento estático e dinâmico não linear de sistemas multiestáveis é imprescindível em qualquer aplicação em engenharia. Como exemplo de aplicação, se utiliza um sistema formado por treliças de von Mises no processo de coleta de energia através de elementos piezoelétricos. O comportamento altamente não linear resulta em movimentos de grande amplitude para largas faixas de excitação, aumentando sua eficiência e aplicabilidade. / [en] In the last years, an increasing interest in multistable structures has been observed. Multistable systems are generally attained by a chain of bistable units connected by rigid or flexible elements. However, little is known about their nonlinear static and dynamic responses. In this work, a detailed nonlinear static and dynamic analysis of multistable systems formed by two shallow bistable units is conducted, specifically, two von Mises trusses or two arches, connected in both cases by rigid or flexible elements. For this, the nonlinear equilibrium equations and equations of motion are obtained through the principle of stationary potential energy and Hamilton s principle, respectively, considering a linear elastic material. Using continuation algorithms, the nonlinear equilibrium paths are obtained, and stability analyzed using the principle of minimum potential energy. Multiple equilibrium paths are identified, leading to several stable and unstable coexisting solutions and potential wells with are closely linked to the systems symmetries. The effect of unavoidable initial imperfections is also clarified. The nonlinear dynamics and bifurcations of systems under harmonic forcing are studied using bifurcation diagrams, Poincaré maps and cross-sections of the basins of attraction. The effect of a static pre-load on global dynamics is also studied. Due to the bifurcation sequences emerging from each stable equilibrium configuration, a high number of coexisting solutions are observed, both periodic and aperiodic, leading to complex basins of attraction with broadening fractal regions. On the one hand, these scenarios can be valuable in several applications. On the other hand, multiple attractors and their fractal basins can lead to the loss of stability and dynamic integrity. Therefore, knowledge on the nonlinear static and dynamic behavior of multistable systems is primordial in any engineering application. As an application example, a system composed by two von Mises trusses is used in the process of energy harvesting through piezoelectric elements. The highly nonlinear behavior results in large amplitude oscillations for a wide range of excitation frequency, increasing its efficiency and applicability.

[pt] Heteroestruturas sensíveis à luz solar possuem grande potencial em diferentes aplicações direcionadas a um futuro limpo e sustentável, como a fotoprodução de hidrogênio (H2) e a remediação ambiental. No contexto da fotocatálise, o dióxido de titânio (TiO2) desempenha um papel crucial devido à sua ampla gama de aplicações, excelente estabilidade química, baixa toxicidade e custo relativamente baixo. No entanto, o TiO2 puro possui algumas desvantagens, como uma alta taxa de recombinação e baixa sensibilidade à luz solar, o que limita sua eficiência em aplicações fotocatalíticas. Portanto, o desenvolvimento contínuo de novos materiais com o objetivo de superar essas desvantagens é obrigatório. Entre as abordagens reportadas para superar as deficiências do TiO2 puro está a formação de heterojunções com outros semicondutores, melhorando a separação de cargas e, portanto, a eficiência fotocatalítica. Óxidos de níquel e óxidos de cobre são relatados como alternativas promissoras para a formação de heterojunções com TiO2, melhorando a transferência de carga e aumentando a absorção de luz no espectro visível do TiO2 puro. Esta tese apresenta diferentes estudos voltados para a síntese e caracterização de novos nanomateriais heteroestruturados eficientes para geração fotocatalítica de hidrogênio e degradação de poluentes perigosos. No primeiro estudo, foi relatada uma heterojunção p-n de NiO/TiO2 obtida via mecanoquímica, que apresentou uma taxa elevada de fotoprodução pelo sol de H2 em comparação com o TiO2 puro (8.85 mmol h-1 g-1 vs. 0.73 mmol h-1 g-1). Em todos os casos, a adição de NiO suportado em TiO2 reduziu a taxa de recombinação e aumentou a absorção de luz visível. Estudos de TEM, XPS e XAS demonstraram que uma dispersão homogênea e uma configuração de spin favorável dos pequenos aglomerados de NiO suportados em TiO2 foram responsáveis pela eficiência superior exibida pela amostra preparada via mecanoquímica, denominada NiO/P90- BM. Notavelmente, testes de ciclagem, de longo prazo e de envelhecimento mostraram que o fotocatalisador relatado é eficiente após vários ciclos, para uso prolongado e após longos períodos de armazenamento. Além disso, foram realizados estudos combinando EPR e a técnica de captura de spin para aprofundar na produção de superóxido e hidroxila pelas heterojunções de NiO/TiO2. Esses estudos forneceram insights sobre a aplicação potencial das heterojunções de NiO/TiO2 para a degradação fotocatalítica de poluentes gasosos e aquosos. Os resultados de EPR lançaram luz sobre a amostra de NiO/P90-BM como a mais eficiente na fotogeração de ROS, revelando que a síntese mecanoquímica resultou em uma arquitetura mais eficiente para a geração de radicais superóxido e hidroxila. Finalmente, foi relatada uma rota simples de química branda para preparar uma heteroestrutura de nanocubos de óxido cúprico (Cu2O NCs) e TiO2, denominada Cu2O NCs/TiO2, como um adsorvente eficiente para a tetraciclina (TC), que é um antibiótico de amplo espectro. FTIR e TGA foram realizados antes e após o processo de adsorção para demonstrar a adsorção de TC pela heteroestrutura Cu2O NCs/TiO2. Além disso, foram realizados testes com irradiação de luz visível para distinguir entre os processos de remoção por adsorção e fotocatalítica. Além disso, foram realizadas medições de EPR usando captura de spin para investigar a fotoprodução de ROS. Curiosamente, não houve fotoprodução de ROS detectável pela heteroestrutura Cu2O NCs/TiO2, demonstrando que a remoção de TC é exclusivamente devido à adsorção. Estes resultados contribuem para esclarecer uma discrepância na literatura quanto à atividade fotocatalítica dos Cu2O NCs sob luz visível. Coletivamente, esta pesquisa avançou o entendimento dos mecanismos fotocatalíticos e relatou novos nanomateriais heteroestruturados, destacando seu potencial para aplicações sustentáveis em diversos contextos relacionados ao meio ambiente e transição energética. / [en] Solar light-responsive heterostructures hold great potential in different applications toward a clean and sustainable future, such as hydrogen (H2) photoproduction and environmental remediation. In the context of photocatalysis, titanium dioxide (TiO2) plays a crucial role due to its wide range of applications, excellent chemical stability, low toxicity, and relatively low cost. However, neat TiO2 has some shortfalls, such as a high recombination rate and low sensitivity to solar light, which limits its efficiency in photocatalytic applications in general. Therefore, the continuous development of new materials aimed at improving these limitations is mandatory. Among the approaches to overcome the neat TiO2 shortfalls is the formation of heterojunctions with suitable semiconductors, improving charge separation and, therefore, photocatalytic efficiency. Nickel oxides and copper oxides are reported as promising alternatives for forming heterojunctions with TiO2, enhancing the charge transfer and broadening the light absorption in the visible spectrum. This thesis presents different studies aimed at the synthesis and characterization of new efficient heterostructured nanomaterials for photocatalytic hydrogen generation and hazardous pollutants abatement. In the first study, a NiO/TiO2 p-n heterojunction obtained via mechanochemistry was reported, which exhibited an improved solar-driven H2 photoproduction rate compared to neat TiO2 (8.85 mmol h-1g-1vs. 0.73 mmol h-1g-1). In all cases, the addition of NiO supported on TiO2 reduced the recombination rate and enhanced the visible light absorption. TEM, XPS, and XAS studies demonstrated that a homogenous dispersion and a favorable spin configuration of NiO clusters supported on TiO2 were responsible for the superior efficiency exhibited by the sample prepared via mechanochemistry, labeled as NiO/P90-BM. Noticeably, cycling, long-term, and aging tests have shown that the reported photocatalyst is efficient after several cycles, prolonged use, and after long periods of storage. Furthermore, studies combining EPR and the spin trapping technique were carried out to delve into the production of superoxide and hydroxyl by NiO/TiO2 heterojunctions. These studies provided insights into the potential application of the NiO/TiO2 heterojunctions for the photocatalytic degradation of gaseous and aqueous pollutants. The EPR results shed light on the NiO/P90-BM sample as the most efficient in ROS photogeneration, revealing that mechanochemical synthesis resulted in a more efficient architecture for generating superoxide and hydroxyl radicals. Besides, a simple soft chemistry route was reported to prepare a heterostructure of cuprous oxide nanocubes (Cu2O NCs) and TiO2, labeled as Cu2O NCs/TiO2, as an efficient adsorbent for tetracycline (TC), which is a broad-spectrum antibiotic. FTIR and TGA were carried out before and after the adsorption process to demonstrate the adsorption of TC by the Cu2O NCs/TiO2 heterostructure. Additionally, tests with visible light irradiation were performed to distinguish between adsorption and photocatalytic removal processes. In addition, EPR measurements were also carried out using spin trapping to investigate the ROS photoproduction. Interestingly, there was no detectable ROS photoproduction by the Cu2O NCs/TiO2 heterostructure, demonstrating that TC removal is solely due to adsorption. These results contribute to clarifying a discrepancy in the literature regarding the photocatalytic activity of Cu2O NCs under visible light. Collectively, this research has advanced the understanding of photocatalytic mechanisms and reported new heterostructured nanomaterials, while highlighting their potential for sustainable applications in diverse environmental and energy transition related contexts.