Made available in DSpace on 2018-08-01T22:29:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4549_Dissertação Paulo Maciel.pdf: 6344610 bytes, checksum: fd8f862339be640c5a3eeb2c82490c57 (MD5) Previous issue date: 2010-03-22 / Este estudo exploratório mostra resultados sobre a investigação da utilização do "V" Epistemológico de Gowin em uma disciplina de Física Experimental na graduação em Física da Universidade Federal do Espírito Santo. Para o desenvolvimento desse estudo foi estruturada a implantação do "V" de Gowin na disciplina Física Experimental I para as modalidades Educador/Licenciatura e Pesquisador/Bacharelado do Currículo Novo do Curso de Física da UFES. Foi utilizado um roteiro sobre o uso do "V"de Gowin em Física Experimental e os roteiros das experiências realizadas na disciplina. Os estudantes produziram um "V" de Gowin para cada experimento, com o objetivo de explicitar a estrutura do experimento, ou seja, quais são as Questões Básicas de Pesquisa referentes aos objetivos da experiência; em que consiste o Domínio Conceitual, ou seja, os Princípios & Leis, as Hipóteses e os Conceitos envolvidos na experiência; quais são os Eventos realizados para as promover observações e coletas de dados do experimento; qual é o Domínio Metodológico utilizado, isto é, quais são os Registros dos Eventos, as Transformações necessárias, os Resultados dessas Transformações e as Interpretações possíveis a partir desses Resultados; quais são as Respostas as Questões Básicas de Pesquisa proposta e; qual a relevância dessas Respostas e de todo o experimento estudado. Para analisar os "V"s de Gowin produzidos utilizaram-se critérios de avaliação baseados em par^ametros que valorizam a articulac~ao dos aspectos do "V". Com a conclus~ao do estudo, foi possvel analisar as habilidades e di-culdades apresentadas pelos estudantes com a implantac~ao do\V"de Gowin em Fsica Experimental. Tambem foi possvel indicar contribuic~oes para os roteiros entregues aos estudantes na disciplina Fsica Experimental. E -nalmente, foi realizada uma analise sobre os criterios de avaliac~ao utilizados nesse estudo.

En este trabajo presentamos un nuevo algoritmo para simulación de medios granulares densos que incluye partículas estáticas en presencia de gravedad. El modelo consiste en esferas duras inelásticas, para el cual contamos con un algoritmo de simulación eficiente. Extendemos la descripción de las partículas de manera de simular sólo las relevantes a la dinámica macroscópica del sistema. Presentamos tres casos de estudio: deposiciones sobre un suelo estático, avalanchas en un plano rugoso inclinado y el flujo en un tambor rotante. Estudiamos cómo dependen los observables físicos de los parámetros del algoritmo en tres casos: la fracción de empaquetamiento de esferas iguales, el ángulo de detención para avalanchas sobre un suelo rugoso y el perfil de velocidad en un tambor rotante. Los resultados obtenenidos son prometedores y muestran que el modelo de simulación conducida por eventos es útil para simular flujos densos, siempre y cuando se disipe energía de forma adecuada. La nueva extensión permite simular sistemas de interés en un tiempo computacional mucho menor que con métodos actuales. Concluimos mostrando diferentes sistemas que pueden ser simulados con nuestro algoritmo y proponemos futuras lineas de investigación.

Estudar as propriedades físicas do solo envolve conhecer a umidade, o transporte de água e solutos, a densidade, a identificação da porosidade, o que é essencial para o crescimento de raízes das plantas. Para esses estudos, a tomografia de raios X tem se mostrado uma técnica útil. As imagens tomográficas são obtidas através de projeções (sinais) que são reconstruídos com algoritmos adequados. No processo de aquisição dessas projeções, podem surgir ruídos provenientes de diferentes fontes. O sinal tomográfico apresenta ruídos que possuem uma distribuição de Poisson gerada pela contagem de fótons, bem como o detector de fótons é influenciado por uma presença de ruído eletrônico com uma distribuição Gaussiana. Essas diferentes distribuições podem ser mapeadas com transformadas não lineares específicas que alteram uma distribuição Gaussiana para outros tipos de distribuições, como a de transformada de Anscombe (Poisson) ou transformada de Box-Muller (Uniforme), mas são aproximações que apresentam erros acumulativos. As transformadas podem ser então mapeadas por um sistema de redes neurais, o que garante um melhor resultado com o filtro de Kalman não linear em que os pesos da rede e as medidas das projeções são estimados em conjunto. Este trabalho apresenta uma nova solução com filtragem de Kalman descentralizada utilizando redes neurais artificiais embarcada em uma arquitetura reconfigurável com o intuito de obter se um valor ótimo de melhoria na relação Sinal/Ruído de projeções tomográficas e consequentemente nas imagens reconstruídas proporcionando melhorias para os métodos de análise dos físicos de solos agrícolas. / To study the physical properties of soil moisture involves knowing the transport of water and solutes, density, porosity identification, which is essential for the growth of plant roots. For these studies, X-ray tomography has been shown to be a useful technique. The tomographic images are obtained through projections (signals) that are reconstructed with appropriate algorithms. In the process of acquiring these projections, noise can arise from different sources. The tomographic signal is noisy which have a Poisson distribution generated by photon counting, and the photon detector is influenced by a presence of electronic noise with a Gaussian distribution. These different distributions can be mapped to specific nonlinear transformed altering a Gaussian distribution for other types of distributions, such as the Anscombe transform (Poisson) or Box-Muller transform (Uniform), but are approximations that have cumulative errors. Transforms can then be mapped by a neural network system, which ensures a better result with nonlinear Kalman filter in which the network weights and measures of the projections are estimated together. This work presents a new solution to the unscented Kalman filtering using artificial neural networks embedded in a reconfigurable architecture in order to obtain an optimum value of improvement in S/N ratio of tomographic projections and consequently the images reconstructed by providing improvements for the methods of physical parameters of the agricultural soils.

A Frutalina é uma proteína tetramérica ligante de carboidratos obtida através de sementes Artocarpus incisa. Os interesses biomédicos da Frutalina estão em sua alta afnidade de ligação por carboidratos presentes em algumas células tumorais específicas. Até agora, nenhum estudo teórico computacional foi realizado para investigar as características de ligação da Frutalina. Neste trabalho, através de um estudo multidisciplinar, investigamos as propriedades de ligação e óticas da Frutalina com carboidratos. Utilizamos um modelo-corte teórico, considerando apenas o sítio ativo de ligação com o carboidrato construído com o auxílio de docking molecular e mecânica molecular clássica. As energias de ligação são obtidas através de uma abordagem quântica ab initio all electron, dentro da Teoria do Funcional da Densidade (DFT), no espaço recíproco que combina o método Projector Augmented Waves (PAW) e a dinâmica molecular de Car-Parrinello (CP). Uma metodologia Hartree-Fock (HF) semi-empírica é utilizada para obter as propriedades óticas. A investigação deste problema muito complexo pode ser dividido em seis etapas principais: a) estudamos as propriedades estruturais da proteína para avaliar a sua mobilidade e escolhemos um conjunto de dados de raios-X para descrever o sistema; b) aplicamos a técnica de docking molecular para ligar quatro carboidratos ( alfa-metil-D-galactose, beta-D-galactose, O1-metil-manose e alfa-metil-D-glucopiranose) na proteína; c) otimizamos a geometria do sistema lectina-carboidrato utilizando mecânica molecular clássica; d) criamos o modelo-corte ; e) investigamos as propriedades óticas utilizando HF; f) estudamos as propriedades eletrônicas do sistema proteína-carboidrato e calculamos energias de ligação através do cálculo DFT. O modelo aqui proposto, além de apresentar uma adequada concordância com dados experimentais, abre a possibilidade de investigar propriedades eletrônicas através de uma abordagem quântica estado da arte na área de estrutura eletrônica. / Frutalin is a tetrameric carbohydrate-binding protein obtained from breadfruit seeds. Biomedical interest on Frutalin comes from the high afinity exhibited by these molecules toward carbohydrates expressed by specific tumor cells. So far, no theoretical computational studies have been carried out to investigate the binding characteristics of frutalin, which is probably due to the large number of atoms that should be considered for in silicon calculations. We investigate the binding of frutalin and optical properties with specific carbohydrate molecules using a theoretical cutmodel considering only the carbohydrate binding site. This model has been constructed with the aid of molecular docking and classical molecular mechanics. We use the ab initio all electron reciprocal space Projector Augmented Waves (PAW) method and the Car-Parrinello scheme as embodied in the CP-PAW code to obtain the binding energies. To evaluate the optical properties, we employed the Hartree-Fock Semi-empirical ZINDO method from the Materials Studio 4.0 computational package. The investigation of this very complex problem can be divided into 6 main steps. Firstly, we study the structural properties of the protein to evaluate its mobility and we choose a x-ray data to describe reliably the system. In the second step, we performed molecular docking to link up four carbohydrates (alpha-methyl-D-galactoside, beta-D-galactoside, O1-methyl-mannose and methyl-alpha-D-glucopyranoside) in the protein. We optimize the geometry of the system lectin-carbohydrate using molecular mechanics in the third step. In the fourth step, we created the cutmodel based on the final geometries obtained in the previous step. In the fifth and sixth steps we investigate the quantum interaction of the protein with each carbohydrate. Our theoretical results are compared with available measurements in each step. The study of the interaction between the active binding site and carbohydrates allows us to demonstrate that our methodology is well suited to predict the electronic properties of the system.

O câncer (neoplasia) é uma das principais causas de mortalidade no mundo. Apesar dos grandes avanços no diagnóstico e nas formas de tratamento, ele ainda representa um enorme desafio para os pesquisadores de muitas áreas. Recentemente houve uma importante descoberta que poderá fornecer um paradigma completamente diferente no entendimento de como o câncer se inicia e cresce, com eventualmente profundas consequências nas formas de tratamento. Essa descoberta diz respeito a presença de células tronco adultas em tumores e seu possível papel no surgimento e crescimento destes. Propomos nesse trabalho um modelo matemático que considera a presença de células com propriedades de (a) auto renovação , (b) diferenciação e (c) mobilidade , características das células tronco. O modelo proposto é um autômato celular probabilístico com atualização assíncrona em uma rede. Cada elemento da rede pode estar vazio ou conter uma célula tumoral. Há dois tipos de células: as células rotuladas como do tipo 2 que são aquelas associadas com as células tronco tumorais e aquelas rotuladas como do tipo 1 que são as células diferenciadas, somente com capacidade de reprodução. A taxa de reprodução de cada célula é definida como uma função de sua vizinhança e tipo. Diferentes taxas de reprodução foram usadas nas simulações e as células do tipo 2 podem diferenciar-se ou mover-se. Os resultados das simulações mostram como a motilidade das células 2 e as taxas de reprodução de ambos os tipos de células influenciam os padrões morfológicos do tumor. Também investigamos uma possível transição de fase que pode estar relacionada a metástase. Essa transição de fase representa algo de grande interesse biológico, uma vez que a metástase é o mecanismo mais importante que leva o organismo a óbito. Compararemos nossos resultados com dados experimentais dos colaboradores Nascimento TL et al [1] da UNIFESP- Escola Paulista de Medicina. / Cancer (neoplasia) is one of the most dangerous diseases and one of the main cause of mortality around the world. Despite the great advances in diagnosis and treatment, it still represents a huge challenge to researchers of many areas. Recently there was a strinking discovery that may give rise to a complete different paradigm in the understanding of how cancer starts and grows, with eventually profound consequences in the forms of treatment. It is related to the ending of adult stem cells in tumors, and its possible role in the birth and growth of them. We propose in this work a mathematical model that takes into account the presence of cells with the properties of (a) self renewal, (b) differentiation and (c) mobility, characteristics of stem cells. The model developed is a probabilistic cellular automaton with asynchronous update set in a grid. Each element of the grid may be empty or contain a tumor cell. There are two types of cells: the cells labeled as type 2 are those associated with cancer stem cells and those labeled as type 1 are differentiated cells only capable of reproducing. The reproduction rate of each cell is defined as a function of its neighborhood and its type. Different rates of reproduction have been used in the simulations, and type 2 cells may differentiate and some motility. Our simulation results show how the motility of cells 2 and the reproduction rates of both types of cells influence the morphological patterns of tumor. We have also investigated a possible phase transition that may be related to metastasis. This phase transition represents something of great biological interest because metastasis is the most important mechanism that leads to death. We will compare our results with experimental data from collaborators Nascimento TL et al [1] in UNIFESP-Escola Paulista de Medicina.

O trabalho apresentado nesta dissertação foi motivado essencialmente pelo projeto de construção de um novo instrumento a ser instalado no telescópio SOAR, no Chile. Este instrumento, chamado de \\textit{Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, conta com várias novidades dentro da área de instrumentação astronômica. Uma delas envolve a utilização de duas redes de difração em série de modo a atuarem como um filtro espectral com uma resolução mais baixa. Aqui é mostrado o estudo realizado envolvendo dois diferentes modelos encontrados na literatura para simular numericamente a eficiência destas redes. Com estas simulações foi possível escolher um conjunto de redes a serem utilizadas no instrumento visando cobrir todo o espectro óptico com diferentes resoluções espectrais. Outra ferramenta estudada foi o filtro espectral do tipo Fabry-Pérot. Partindo de uma revisão teórica de interferência de raios múltiplos, apresenta-se também algumas características encontradas nos cubos de dados obtidos ao fazer uso de filtros deste tipo. Por fim, é descrito o software que foi criado buscando fornecer cubos de dados sintéticos para o desenvolvimento de novos pacotes numéricos para trabalhar com dados obtidos com um interferômetro Fabry-Pérot, além de auxiliar na compreensão de obtenção destes cubos. / The work presented in this dissertation was motivated primarily by the construction project of a new instrument to be installed on the SOAR telescope in Chile. This instrument, called \\textit {Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, features several innovations within the area of astronomical instrumentation. One of them involves the use of two diffraction gratings in series in order to act as a spectral filter with a lower resolution. It is shown here the study involving two different models found in the literature to simulate the efficiency of these gratings. With these simulations it was possible to choose a set of gratings to be used in the instrument in order to cover the entire optical spectrum with different spectral resolutions. Another tool studied was the filter spectral type Fabry-Pérot. Starting from a theoretical review of interference of multiple beams, it is presented some features found in the data cubes obtained by making use of filters of this type. Finally, we describe the software that was created to provide synthetic data cubes for developing new packages for working with numerical data obtained with a Fabry-Perot interferometer, in addition to helping to raise understanding of these cubes.

As taxas de aniquilação de pósitrons lentos em moléculas são aprimoradas para pósitrons incidentes com energias específicas. Segundo a visão atual do problema, tal fenômeno corresponde a um acoplamento contínuo-discreto do pósitron acompanhado com transições vibracionais na molécula. Este mecanismo é conhecido como ressonância vibracional de Feshbach. Existem basicamente três aspectos que foram desenvolvidos no tempo do mestrado. O primeiro foi a proposta de um modelo analítico para o cálculo das larguras de acoplamento do pósitron em transições vibracionais Raman-Ativas mostrando que sua estimativa pode ser feita a partir de parâmetros da molécula isolada e sua ordem de grandeza é equivalente ao das larguras associadas a transições IR-ativas. O segundo aspecto desenvolvido é a estimativa dos efeitos de correlação elétron pósitron na dinâmica vibracional da molécula principalmente definindo acoplamentos entre modos vibracionais que permitiram a excitação de modos vibracionais, de outro modo, inativos. Foram apresentados, como exemplo, os efeitos de correlação nas moléculas de LiH e NaH. Também foi feita uma estimativa das propriedades de estrutura eletrônica e vibracional para moléculas de mais de um modo normal de vibração. Especificamente, para a molécula de HCN no nível de cálculo MP2, apresentando um método para aproximar, no nível harmônico, os efeitos de correlação elétron-pósitron na superfície de energia potencial. / The annihilation rates for slow positrons in molecules are enhanced for positrons with specific energies. According to the current view of the problem, such phenomenon corresponds to a positron continuum-discrete coupling, accompanied by a coupling of the molecule vibrational states. Such mechanism is described by a vibrational Feshbach resonance. There are, basically, three developed topics in the time of the master degree. The first one is proposing an analytical model for the calculation of the coupling widths of the positron with Raman-Active vibrational transitions. It is showed that this estimation could be computed by some parameters of a single molecule and its order of magnitude is equivalent to coupling widths for IR-active transitions. The second developed topic is the estimation of electron-positron correlation effects in the vibrational dynamics of the molecule mainly by defining couplings between modes which allows excitation of vibrational states, otherwise, inactive. As an example, the effects of the correlation in the NaH and LiH molecules have been presented. An estimation of electronic structure and vibrational properties was also made for molecules with many vibrational normal modes. As an example, the HCN molecule at MP2 level calculation was taken, showing a method to approximate the electron-positron correlation effects, on the potential energy surface, at harmonic level, the electron-positron correlation effects on the potential energy surface.

Este trabalho apresenta um novo tomógrafo de espalhamento de fótons por efeito Compton para estudos de solos agrícolas em ambiente de campo. O seu desenvolvimento está fundamentado na física computacional, em uma instrumentação nuclear avançada e nas técnicas do espalhamento Compton. O posicionamento lado a lado da fonte de raios X e do detector de estado sólido, operando em efeito Compton, viabiliza uma técnica não invasiva para aplicação direta em campo agrícola, não necessitando coleta de amostras e preservando as condições naturais do solo. Este tomógrafo Compton de campo possui um sistema de detecção baseado em fotodiodo de Silício (SDD - Silicon Drift Detector) com eficiência de detecção de 18,9% (@ 35 keV), módulo eletrônico de processamento de sinais de dimensões reduzidas (7,0x10,0x2,5 cm) e baixo consumo de energia elétrica (2,5 W). Outro aspecto relevante é a sua sonda de medida que viabiliza a coleta de projeções tomográficas, bem como o georeferenciamento que permite uma correta identificação da localização das análises. Resultados obtidos diretamente em um campo agrícola viabilizaram a obtenção de imagens tomográficas com resolução espacial 1x1 cm2, faixa de abordagem de 10x10 cm2, medidas densitométricas na faixa de 1,0 a 1,3 g/cm3 e energia de 37,8 keV, o que viabilizou medidas em profundidade de interesse agrícola. / This research presents a new tomograph scattering of photons by the Compton Effect for studies of agricultural soils in a field environment. Its development is based on computational physics, in an advanced nuclear instrumentation and techniques of Compton scattering. The side by side position of X-ray source and solid-state detector, operating in the Compton Effect, enables a noninvasive technique for direct application in the agricultural field, without sampling and preserving the natural soil conditions. This field Compton tomograph has a detection system based on Silicon photodiode (SDD Silicon Drift Detector) with detection efficiency of 18.9% (@ 35keV), electronic module of signal processing with reduced dimensions (7.0 x 10.0 x 2.5 cm) and low power consumption (2.5 W). Another relevant aspect is its measuring probe that enables the acquisition of tomographic projections and its georeferencing that allows a correct identification of the analysis location. Results obtained directly in agricultural field enabled the achievement of tomographic images with spatial resolution of 1x1cm2, range approach of 10x10 cm2, densitometric measurements in the range from 1.0 to 1.3 g/cm3 and energy of 37.8 keV, which enabled in-depth measures of agricultural interest.

O tema deste trabalho é a modelização computacional das propriedades magnéticas de sistemas nanoparticulados a temperatura finita. Estes materiais, que são de grande interesse acadêmico e aplicado, possuem uma sensibilidade atípica às flutuações térmicas, um fenômeno conhecido como superparamagnetismo. Por essa e outras peculiaridades, eles apresentam um comportamento extremamente rico e complexo que se estende por uma gama ampla de situações experimentais, indo desde eras geológicas em aplicações na área de geomagnetismo, a fenômenos ultra-rápidos em dispositivos eletrônicos e tratamentos clínicos. O modelo empregado, conhecido como teoria de Néel-Brown, introduz na equação dinâmica magnética um termo estocástico para lidar com as flutuações térmicas. Sua validade é bastante geral, podendo ser aplicado para simular uma quantidade enorme de experimentos. Implementamos uma biblioteca numérica extremamente eficiente, que permite tratar sobre um mesmo escopo estas diferentes situações. Neste trabalho, focamos no problema de histerese dinâmica que vêm recebendo considerável atenção nos últimos anos motivado, principalmente, pela aplicação de nanopartículas magnéticas em tratamentos de tumores por uma técnica conhecida como magneto-hipertermia. / This thesis concerns the use of computer models to study the magnetic properties of nanoparticles at a finite temperature. These materials, which are of great academic and applied interest, are known to have an enhanced sensitivity to thermal fluctuations -- a phenomenon known as superparamagnetism. Such a peculiar nature is responsible for a large number of interesting physical phenomena, which are known to extend over a wide range of experimental situations. These include, among others, geomagnetism, ultra-fast devices and oncological treatments. The model employed, known as the Néel-Brown theory, introduces in the dynamical equation an stochastic term representing the thermal fluctuations. It\'s range of validity is quite broad, thus being applicable to all of the aforementioned situations. We implemented a highly efficient numerical library, whose scope extends over a large range of experiments. In this thesis we focused on the problem of dynamic hysteresis, which has receive considerable attention in recent years. This was motivated, among other things, by the potential use of nanoparticles in magneto-hyperthermia treatments.

Neste trabalho apresentamos cálculos teóricos da resistividade longitudinal de um poço quântico quadrado duplo formado pela heteroestrutura semicondutora ln0.52Al0.48As / ln0.53Ga0.47As, considerando duas sub-bandas ocupadas e o desdobramento de spin causado pelo chamado efeito Rashba, que corresponde a um desdobramento de spin devido à ausência de simetria de inversão espacial na heteroestrutura. A descrição desse efeito é dado segundo o modelo de Kane 8x8, utilizando o método k p aliado à Aproximação da Função Envelope. Determinamos numericamente as constantes de acoplamento spin-órbita provenientes do modelo adotado, através de um procedimento de cálculo autoconsistente. Deduzimos então os níveis de energia da heteroestrutura na presença simultânea de um campo magnético e do efeito Rashba, e usamos esses níveis para o cálculo da resistividade longitudinal. Além disso, analisamos criticamente uma proposta teórica de dispositivo de spin baseado no efeito Rashba existente na literatura [KOGA, T . et al. Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidando um equívoco conceitual nas hipóteses assumidas. / In this work we present theoretical calculations of the longitudinal resistivity of a double quantum well formed by the semiconducting heterostructure ln0.52Al0.48As / ln 0.53Ga0.47As, considering two occupied subbands and the spin splitting caused by the so-called Rashba effect, which corresponds to a spin splitting due to the absence of spatial inversion symmetry in the heterostructure. The description of this effect is given according to the 8x8 Kane model, using the k p method along with the Envelope Function Approximation. We determine numerically the spin-orbit coupling constants arising from the chosen model, through a self-consistent procedure. We deduce then the energy levels of the heterostructure in the simultaneous presence of a magnetic field and of the Rashba effect, and use this energy leveis for the Calculations of the longitudinal resistivity. Besides that, we analyze critically a theoretical proposal of a spin device based on Rashba effect existing in the literature [KOGA, T. et al.Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidating a conceptual mistake on the assumed hypotheses.