Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:09:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 328352.pdf: 2593943 bytes, checksum: 3a18b328aeaa5db490a8f153efc33dd3 (MD5) Previous issue date: 2014 / Configurações espaciais de partículas que representam um sistema de moléculas de imidazol imobilizadas foram formadas através do método de Monte Carlo Reverso, usando como informação estrutural as funções de distribuição radial (FDR) obtidas através de simulação de dinâmica molecular clássica. A caixa do Monte Carlo reverso contém um sistema simplificado de partículas criadas considerando a FDR de todos os átomos do sistema da dinâmica molecular, cada partícula representa um grupo de imidazol covalentemente ligado a uma cadeia carbônica. As configurações criadas através da simulação de Monte Carlo reverso mantém as informações espaciais de todos os átomos de imidazóis imobilizados da dinâmica molecular. Para uma modelagem mais adequada do Monte Carlo reverso algumas restrições foram impostas ao sistema. Este trabalho apresenta configurações espaciais geradas através de uma abordagem de Monte Carlo reverso que representam através da FDR as informações espaciais do sistema molecular da simulação de dinâmica molecular.<br> / Abstract : Simple particle configurations of immobilized imidazole systems have been formed through a Reverse Monte Carlo (RMC) approach using as input the radial distribution functions (RDF) from classical Molecular Dynamics simulations (MD). The RMC box contains a simplified system of particles created considering the RDF of all atoms system from the MD simulations, each particle represents one imidazole group covalent bonded to a Carbon atoms chain. The RMC particles configuration created carry the spatial information from the all atoms MD of the immobilized imidazole system. For the adequate RMC modeling the proper constraints are chosen. We present the RDFs and configuration boxes formed via the RMC approach in good agreement with the input structural data from the MD simulations.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:19:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 331910.pdf: 9255216 bytes, checksum: c096660b6a5ea99355187178c0a800b1 (MD5) Previous issue date: 2014 / Esta tese apresenta uma série de investigações e resultados na interface entre ciência dos materiais, ciência da computação e biologia, em que, primeiramente, interações nanopartícula-célula foram estudadas utilizando simulações de dinâmica molecular, buscando compreender aspectos fisico-químicos da interface existente entre nanomateriais e células. A partir destes estudos, logo ficou evidente que novos métodos para estudar estas interações, assim como interações biomaterial-célula, seriam necessários. Neste sentido, uma abordagem baseada em biologia de sistemas (CellNet) foi utilizada para elucidar mudanças globais em programas de expressão de genes em células interagindo com nanopartículas ou cultivadas em culturas de células organóides. Estes métodos foram primeiramente desenvolvidos e validados para área de células-tronco, especificamente para experimentos de engenharia de identidade celular, tais como reprogramação de células somáticas para um estado de pluripotência induzida, diferenciação dirigida de células-tronco pluripotentes para tipos de células específicos (cardiomiócitos) e conversão direta entre células somáticas (fibroblastos para cardiomiócitos). Aplicação de CellNet para interações nanopartícula-célula indicou que mudanças transcricionais significativas podem ocorrer, tal como quantificado pelo estabelecimento de redes reguladoras de genes (GRN) em células do sistema imune incubadas com nanopartículas de ouro, funcionalizadas com oligonucleotídeos. Além disso, respostas inflamatórias podem estar associadas a estas interações, uma vez que genes regulando vias de sinalização mediadas por interferon são super expressos. Análise de queratinócitos humanos em plataformas de cultura celular organóides mostrou o estabelecimento completo da GRN da pele e que existem diferenças significativas no transcriptoma de células cultivadas em plataformas bidimensionais e tridimensionais. Nanopartículas ativáveis por processos de remodelagem da matriz extracelular foram desenvolvidas e caracterizadas, onde se verificou que a ativação por proteases específicas tais como MMP9/2 e uPA é possível, juntamente com a aparente inibição da atividade da enzima catepsina B, sugerindo uma abordagem terapêutica plausível para tumores apresentando padrões de super expressão de MMP9/2 e catepsina B. Os resultados deste trabalho contribuem para o entendimento de interações nanomaterial/biomaterial-célula e o projeto de nanopartículas terapêuticas, assim como melhor entendimento sobre os três principais paradigmas de engenharia celular atualmente amplamente utilizados.<br> / Abstract: This thesis presents investigations and results at the interface between materials science, computer science and biology where nanoparticle-cell interactions were studied using molecular dynamics simulations, aiming at understanding physical-chemical aspects of the interface existing between nanomaterials and cells. From these studies was evident that new methods to study such interactions as well as biomaterial-cell interactions would be required. Thus, an approach based on systems biology (CellNet) was used to elucidate global changes in gene expression programs in cells interacting with nanoparticles or cultured in organoid cell cultures. Firstly, these methods were developed and validated for stem cells, especifically to the engineering of cell identity such as reprogramming of somatic cells to pluripotency, directed differentiation of stem cells to specific lineages (such cardiomyocytes) and direct conversion between somatic cells (fibroblastos to cardiomyocytes). CellNet application to nanoparticle-cell interactions showed that significant transcriptional changes may occur as quantified by the establishment of Gene Regulatory Networks (GRNs) in immune system cells incubated with gold nanoparticles functionalized with oligonucleotides. In addition, inflammatory responses might be associated as suggested by the upregulation of genes regulating interferon-mediated signaling pathways. Analysis of human keratinocytes in organoid cell culture indicated the full establishment of the skin GRN and that there are major differences between cells cultured in bidimensional and tridimensional platforms at the transcriptome level. Nanoparticles activated by extracellular matrix remodelling processes were developed and characterized, where it was demonstrated that activation by specific proteases such as MMP9 and MMP2 is possible as well as an unclear effect on the inhibitionof Cathepsin B by nanoparticles, suggesting a therapeutic strategy for cancers showing upregulation of MMP9, MMP2 and cathepsin B. The results presented contribute to a better understanding of nanoparticle/biomaterialcell interactions, the design of therapeutic nanomaterials as well as a better understanding regarding the three major cell engineering paradigms widely used.

[pt] Um problema bem conhecido da Mecânica Clássica consiste no estudo do movimento de um corpo no espaço, especialmente quando o problema é conservativo e livre de forças. Este trabalho utiliza ferramentas modernas da Dinâmica para interpretar os movimentos com grande amplitude, ultrapassando os limites de estabilidade obtidos pelo conceito de Lyapunov. O problema da singularidade numérica que ocorre utilizando-se ângulos de Cardan pode ser eliminado com a descrição por quatérnios. A versatilidade dos quatérnios na Dinâmica é discutida, assim como a dificuldade do estudo do movimento próximo aos pontos de singularidade usando ângulos cardânicos. Enfatiza-se a influência dos momentos principais de inércia na estabilidade do movimento. Obtém-se um valor numérico da energia cinética mínima necessária para que o movimento atravesse o limite de estabilidade. O giroscópio Magnus é um instrumento educacional muito conveniente no estudo do movimento de um corpo livre no espaço. O rotor desse giroscópio representa um corpo em uma suspensão cardânica com anel externo e interno, o que dá ao corpo a liberdade de movimento necessária. Desenvolve-se nesta tese o modelo matemático de um corpo em suspensão cardânica, incluindo-se o atrito existente entre os componentes do sistema mecânico (além de considerar as inércias do rotor e dos anéis ou quadros). O problema da singularidade na descrição com rotações seqüenciais, que existe no caso de um corpo no espaço, é eliminado quando se considera a inércia dos quadros. Estuda-se o comportamento do giroscópio ao longo do tempo, sem outras restrições, considerando a perda de energia cinética devido ao atrito. Avalia-se também como a mudança dos momentos de inércia influencia a estabilidade do movimento do sistema. / [en] A well known conservative problem in Classical Mechanics consists in the force free motion of a body in space. This work uses modern tools from Dynamics to interpret great amplitude movements crossing the limits of stability in the concept of Lyapunov. The numerical singularity that arises with the use of Cadan angles can be eliminated with quaternion representation. The versatility of quaternions in Dynamics is discussed, as well as the difficulty in investigating the motion near to singularity points when using cardanic angles. The influence of the principal moments of inertia on the stability of the motion is discussed. A numerical value for the minimal kinetic energy to cross the stability border is obtained. The Magnus Gyroscope is an educational instrument, very convenient in the study of the motion of a free body in outer space. The rotor of this gyroscope represents the body on a cardanic suspension with outer and inner ring, which gives the body the necessary freedom of motion. In this work a mathematical model of a body in cardanic suspension is generated, including friction between gimbals and rotor (besides considering the inertia of these components). The singularity problem in the free body solution is eliminated when the inertia of the gimbals is considered. Long term behavior of the unrestricted motion is investigated, considering the loss of kinetic energy due to friction. It is also shown how the change of moments of inertia due to the gimbals influences the stability of the motion of system.

[pt] Este texto pode ser dividido em duas partes: a primeira trata da modelagem de sistemas dinâmicos, passando da chamada formulação forte ao conceito de formulação variacional, sem antes deixar de apresentar ferramentas básicas do cálculo variacional e o Princípio de Hamilton. Os conceitos são exemplificados por duas estruturas que acompanham todo o texto: um cabo unidimensional e uma placa. Ainda na primeira parte, é apresentado o problema de autovalor de sistemas contínuos e são mostradas as propriedades dos operadores autoadjuntos. Ao longo desta etapa e no apêndice, soluções analíticas para o problema de autovalor são desenvolvidas. Por ser a obtenção das soluções analíticas dos problemas por demais engenhosas ou até mesmo impossíveis, um outro caminho é proposto: a aproximação de soluções, sendo este o tema da segunda parte deste texto. Ela é iniciada pela apresentação de métodos de discretização dos sistemas contínuos sem deixar de exemplificá-los. Os métodos são usados como ferramentas de aproximação dos modos de vibração. São abordados os Métodos de Ritz, de Galerkin e o da Colocação. As funções usadas no primeiro e no segundo são geradas pelo Método dos Elementos Finitos e as aproximações dos modos por este método são usadas na redução de sistemas, para então se obter a resposta dinâmica dado um carregamento. Toda a teoria é reforçada ao final com dois problemas práticos: um cabo durante uma operação de abastecimento de uma plataforma de petróleo e o outro de uma placa durante uma operação de jateamento. Por último, mas não menos importante, um capítulo é dedicado ao Método da Colocação, onde polinômios de ordem superior, os polinômios de Chebyshev, são usados para a aproximação com o uso de diferentes grades de interpolação, a grade de Chebyshev-Gauss e a grade de Gauss-Lobatto. / [en] This text can be divided into two parts: the first deals with modeling of dynamic systems, passing through the so-called strong formulation to the concept of variational formulation, considering the basic tools of variational calculus and the Hamilton Principle. The concepts are exemplified by two structures that follows the whole text: a unidimensional cable and a plate. Still in the first part, the eigenvalue problem of continuous systems is presented and the properties of self-adjoint operators are shown. Throughout this stage and at the appendix, analytical solutions to the eigenvalue problem are developed. As to get the problems analytical solutions may be too ingenious or even impossible, another way is proposed: the use of approximate solutions, which is the theme of the second part of this text. It starts by presenting methods of discretization of continuous systems, exemplifying them. The methods are used as tools for approximation of the vibration modes. The Ritz, Galerkin and Collocation methods are exposed. The functions used at the first and at the second are generated by the Finite Element Method and the modes approximated by this method are used to reduce the systems to then obtain the dynamic response to a given dynamic loading. The whole theory is reinforced with two practical problems at the end: one is about a cable during a supplying operation of an oil rig and the other is about a plate during a shot blastening operation. Last but not least, a chapter is devoted to the Collocation Method, where higher-order polynomials, the Chebyshev polynomials, are used to the approximation using different interpolation grids, the Chebyshev-Gauss and the Gauss-Lobatto grid.

[pt] Neste trabalho são apresentados modelos para a dinâmica vertical e para a dinâmica lateral de veículos terrestres e desenvolve-se um procedimento para o aclopamento desses modelos. A simulação computacional é empregada para a análise e comparação do desempenho de veículos com suspensão convencional e ativa, quanto à dirigibilidade e estabilidade em curva. É realizado um estudo sobre a influencia dos parâmetros típicos dessas suspensões no comportamento das principais variáveis que caracterizam a dinâmica dos veículos, utilizando dados reais. / [en] In this work models of vertical and lateral vehicle dynamics are presented. A procedure to couple them is also developed. A numerical simulation is applied to analyze and compare the performance between a vehicle with a conventional suspension and another with an active suspension. An analysis, based on real data, of how some chacteristic parameters of those suspensions influence the behavior of the main variables that characterize the vehicle dynamics is also performed.

Quando dirigimos nossa atenção ao deslocamento e rearranjo dos átomos de um alvo submetido à irradiação com feixe de Íons energéticos, designamos o fenômeno como Mistura Por Feixe De Íons, ou abreviadamente, IM ( do inglês "Ion Beam Mixing" ). O progresso na compreensão dos mecanismos do IM tem sido dificultado pela falta de procedimentos padronizados para a obtenção das amostras e análise dos resultados experimentais. Por outro lado, são raros os estudos sistemáticos da fenomenologia do IM em diferentes sistemas. No presente trabalho sugerimos procedimentos seguros para o estabelecimento de uma base fenomenológica mais sólida para o IM discutindo o significado, as incertezas e a relevância das grandezas físicas comumente empregadas no seu estudo. A seguir, são apresentados resultados referentes à interdifusão e formação de fases do sistema Fej Al discutindo seu significado com base em modelos propostos para os mecanismos do IM. / When the primary interest is the atomic rearrangement of a target submitted to ion beam irradiation, the phenomenon is termed Ion Beam Mixing (IM). The lack of common · procedures in producing samples and analysing experimental results has difficulted the progress in the comprehension of the basic mechanisms involved. On the other hand, systematic studies on the IM phenomenon in different systems are scarce. In the present work we suggest safe procedures to establish a more reliable basis for the IM phenomenology by discussing the role played by the physical parameters usually employed in its study. Finally, experimental results concerning the interdiffusion and phase formation in the Fe/ Al system are presented and discussed on the basis of the model mechanisms proposed to understand IM.

A presente dissertação estuda a dinâmica uni e tridimensional de uma part cula solitária eletricamente carregada sob a ação de uma onda eletrostática de alta frequência lentamente modulada. A onda dota a partícula de energia potencial elétrica e o seu movimento e conhecido através do emprego do formalismo hamiltoniano, onde se faz a consideração de efeitos relativísticos devido as altas velocidades envolvidas no processo. Enquanto a velocidade máxima experimentada pela partícula permanece suficientemente abaixo da velocidade de fase característica da onda que a acelera, sua dinâmica pode ser bem descrita por uma re nada aproximação ponderomotriz. Com esta abordagem, prevê-se corretamente a velocidade média, máxima e m nima desenvolvida pela partícula ao longo de seu movimento através das curvas que permeiam e envelopam o per l de velocidade. Os limites de validade da aproximação são bem estabelecidos e, uma vez ultrapassados, a partícula com velocidade ressonante e capturada pela onda. Sob as adequadas condições calculadas neste trabalho, o mecanismo de captura instala, espontaneamente, a partícula em fase otima relativa a onda e a acelera a velocidades muito próximas da velocidade da luz no vácuo. Em consonância, o processo de aceleração e otimizado com a focagem da partícula em direção ao eixo de propagação da onda durante um certo intervalo de tempo e de comprimento aproveitáveis. / The present dissertation studies the one and three-dimensional dynamics of an electrically charged solitary particle under the action of a slowly modulated high frequency electrostatic carrier wave. The wave gives the particle electrical potential energy and its movement is known through the use of Hamiltonian formalism, where relativistic e ects are considered due to the high velocities involved in the process. Meanwhile the maximum speed experienced by the particle remains su ciently below the characteristic phase velocity of the accelerating carrier wave, its dynamics can be well described by a re ned ponderomotive approach. With this approach, the average, maximum and minimum speed developed by the particle along its movement through the curves that permeate and envelop the velocity pro le. The limits of validity of the approximation are well established and, once exceeded, the particle with resonant velocity is captured by the wave. Under the appropriate conditions calculated in this work, the capture mechanism spontaneously installs the optimum phase particle relative to the wave and accelerates towards the speed of light in the vacuum. At same time, the acceleration process is optimized by focusing the particle towards the wave propagation axis for a certain usable time interval and length.

A intransitividade é uma propriedade dos grafos conectados e orientados que representam interações entre espécies. Essa propriedade está associada `a persistência da coexistência mesmo na presença de competição, sendo o jogo Pedra-Papel-Tesoura o exemplo padrão. Neste trabalho, consideramos uma generalização com quatro espécies, que é o número mínimo necessário para que haja outras interações além do ciclo único (um predador, uma presa). Além disso, introduzimos sítios vazios dinâmicos ao sistema, os quais afetam o nível de intransitividade nas interações. Verificamos então que, ao contrário do que o campo médio prevê, na rede quadrada o modelo apresenta duas transições, cujas localizações dependem das probabilidades de predação e reprodução. A primeira transição ocorre entre um estado absorvente, com apenas uma espécie, para um estado em que todas as espécies coexistem. A transição seguinte ocorre quando uma das quatro estratégias é extinta. Essa dependência com as probabilidades de predação e reprodução demonstra que a estrutura do grafo de interação sozinha não é suficiente para prever os resultados finais em modelos desse tipo. Adicionalmente, probabilidades diferentes de predação permitem ajustar o nível de transitividade do sistema, indicando que é necessária uma quantidade mínima de intransitividade para que a coexistência entre todas as espécies persista. / Intransitivity is a property of connected, oriented graphs representing species interactions that may drive their coexistence even in the presence of competition, the standard example being the three species Rock-Paper-Scissors game. We consider here a generalization with four species, the minimum number of species allowing other interaction beyond the single loop (one predator, one prey). We also consider dynamic empty sites, which affect the amount of intransitivity in the system. We show that contrary to the mean field prediction, in the square lattice the model presents two transitions as the parameters setting the predation and reproduction rates change, from an absorbing state with one species only, to a coexistent state first, and then to a state in which one species gets extinct. Such a dependence on the predation and reproduction rates shows that the interaction graph structure alone is not enough to predict the outcome of such models. In addition, different predation rates permit to tune the level of transitiveness, indicating that for the coexistence of all species to persist, there must be a minimum amount of intransitivity.

Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico, 1989 / Made available in DSpace on 2016-01-08T16:28:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 80396.pdf: 3107523 bytes, checksum: cd79187dc50288e698ba9c431d8dc9c8 (MD5) Previous issue date: 1989 / Este trabalho é direcionado para a análise dinâmica de rotores. Através do método dos elementos finitos é desenvolvido um modelo matemático, representativo do comportamento do sistema mecânico ROTOR-DISCO-SUPORTE e desenvolvida toda a formulação energética de um elemento finito viga-eixo, incluindo-se os efeitos de inércia rotacional, momento giroscópio, carga axial, deformação cisalhante e massa desbalanceada. As equações de movimento do modelo são obtidas através da formulação Lagrangeana. A eficiência do modelo é verificada através da análise comparativa das freqüências naturais e críticas, para as vigas clássicas de Bernoulli-Euler, Rayleigh e Timoshenko. Após esta análise é apresentada a modelagem de grupos hidrogeradores de grande porte, cujos resultados são comparados com alguns trabalhos já desenvolvidos nesta área. Um sistema computacional chamado PADIR (Programa para Análise Dinâmica de Rotores) foi desenvolvido para obter-se os resultados apresentados neste trabalho.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T21:09:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 104620.pdf: 19527114 bytes, checksum: 31d185869e6b6e89df94b769eb0b2b5c (MD5) Previous issue date: 1996 / Análise da aplicação do Método do Fluxo de Potência usando funções de mobilidade em estruturas compostas por vigas, em forma de grelha. O objetivo é qualificar os principais tipos de ondas na transmissão de energia e obter a resposta dinâmica da estrutura. Calculou-se o fluxo de potência entre duas vigas unidas em L, considerando todos os tipos possíveis de acoplamento de ondas. Para a determinação da resposta, foi utilizado o Método da Mobilidade, onde a estrutura é separada em subestruturas menores e para cada uma são montadas equações de movimento. São determinados os esforços nas uniões e a resposta é determinada a partir destes esforços. As subestruturas utilizadas foram vigas dispostas em L ou em T. As vantagens são a obtenção determinística da resposta, para freqüências discretas e a necessidade de se determinar os esforços apenas nas uniões. Resultados analíticos para algumas configurações de vigas, são comparados com os obtidos numericamente, pelo Método de Elementos Finitos.