Submitted by Eliézer Fernando de Oliveira null (eliezer@fc.unesp.br) on 2016-12-01T22:42:08Z No. of bitstreams: 1 tese-oliveiraef-final-2016.pdf: 4897359 bytes, checksum: e91f8fa951ca10c244974954f09cb53b (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-12-05T13:21:08Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_ef_dr_bauru.pdf: 4897359 bytes, checksum: e91f8fa951ca10c244974954f09cb53b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-05T13:21:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_ef_dr_bauru.pdf: 4897359 bytes, checksum: e91f8fa951ca10c244974954f09cb53b (MD5) Previous issue date: 2016-11-28 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Materiais orgânicos vêm sendo utilizados em diversos tipos de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, sendo um dos destaques seu uso em células solares. Atualmente, células solares que utilizam materiais orgânicos na camada ativa já atingem eficiências em torno de 12% na conversão da energia solar em elétrica. Apesar destes materiais apresentarem vantagens em relação ao custo do produto final e processamento comparado aos inorgânicos, a comunidade científica ainda se depara com problemas relacionados às propriedades intrínsecas, como por exemplo, baixa estabilidade à oxidação e energias de bandgap elevadas; deste modo, ainda é viável encontrar novos materiais orgânicos que superem tais problemas. Este trabalho teve como finalidade a busca de novos materiais orgânicos, mais especificamente polímeros conjugados, para aplicações em camada ativa de células solares utilizando métodos teóricos de modelagem de materiais em níveis de teoria semi-empírico e DFT. A primeira parte deste trabalho focou no estudo de novos copolímeros de comonômeros similares e novos homopolímeros derivados de P3HT. Aqui foi possível verificar que, através de substituições químicas realizadas no P3HT, pode-se encontrar novos polímeros com valores mais apropriados para as energias dos orbitais moleculares de fronteira e maiores mobilidades de carga, propriedades que estão intimamente relacionadas à eficiência e à estabilidade que a célula solar pode atingir. Um dos novos polímeros que apresentou potencial para aplicação em camadas ativas de células solares foi o P3HT fluorado, que posteriormente foi confirmado através de trabalhos experimentais. Para os copolímeros de comonômeros similares, verificou-se que as propriedades eletrônicas e ópticas destes materiais apresentam uma dependência linear com as mesmas propriedades e a proporção de monômeros dos homopolímeros que foram utilizados como comonômeros na construção do copolímero; o destaque maior é que através desta relação linear pode-se projetar novos copolímeros de comonômeros similares antes de uma possível síntese. A segunda parte deste trabalho avaliou as metodologias de modelagem de materiais orgânicos baseadas na (TD)DFT que seriam viáveis para a correta descrição teórica das propriedades ópticas. Verificou-se que uma confiável previsão da energia de transição vertical pode ser obtida por meio do funcional M06HF, adicionando um fator de correção de -0,75 eV nas energias obtidas com ele. Em relação à absorção óptica do estado excitado, o funcional B3LYP não prevê corretamente as energias de transição entre os estados excitados, ao passo que resultados mais confiáveis podem ser obtidos com os funcionais BHLYP e CAM-B3LYP comparado aos dados experimentais disponíveis. / Organic materials have been used in various types of electronic and optoelectronic devices, with prominent application in solar cells. Solar cells in which the active layers are composed of organic materials already reach efficiencies of around 12% in the conversion of solar energy into electricity. Although these materials have advantages in relation to the final cost and processing compared to the inorganics, the scientific community still faces problems related to intrinsic properties, such as low oxidation stability and high bandgap energy; thus, it is desirable to find new organic materials that overcome these problems. This work aimed at the search for new organic materials – specifically conjugated polymers – for applications in active layers of solar cells employing theoretical methods of material modeling of semi-empirical and DFT theory levels. The first part of this work focuses on the study of new copolymers of similar comonomers and new P3HT derivatives. Here it was observed that, through chemical substitutions made in P3HT, one may find new polymers with appropriate values for the energies of the frontier molecular orbitals and increased charge mobility, properties that are closely related to the efficiency and stability that the solar cell can achieve. One of the novel polymers found which have potential for use in active layers was the fluorinated P3HT, later confirmed by experimental works. For copolymers of similar comonomers, it was found that the electronic and optical properties of these materials exhibit a linear dependence with the same properties and the monomers proportion of the homopolymers that were used as comonomers in the construction of the copolymer; most important is that through this linear relationship one may design new copolymers of similar comonomers before a possible synthesis. The second part of this study evaluated the methodologies for modeling of organic materials based on (TD)DFT that would be viable for a proper theoretical description of the optical properties. It was found that a reliable prediction of the vertical transition energy from the ground state of conjugated polymers can be obtained with the M06HF functional adding a correction factor of -0.75 eV in its obtained energies. Regarding the excited state optical absorption, the B3LYP functional do not correctly predicts the transition energy between the excited states, while more reliable results can be obtained with BHLYP and CAM-B3LYP functionals compared to the available experimental data. / FAPESP: 2012/21983-0

O emprego de polímeros naturais na preparação de filmes poliméricos usados na liberação de espécies bioativas tem sido proposto para controlar, a partir das propriedades da matriz polimérica, a cinética de liberação das espécies devido a difusão na matriz e biodegradação desta depois de contato com o meio. Neste trabalho, filmes de quitosana modificados com nanofibras de celulose (NFC) foram preparados para incorporação de glifosato e o estudo das propriedades físico-químicas deste sistema. Os filmes e os nanocompósitos são semicristalinos e estáveis a temperatura ambiente. Os ensaios de transporte de água, permeação ao vapor de água e inchamento em água mostram que as NFC oferecem efeito de barreira, pois a permeação diminui com o aumento da porcentagem de NFC, sendo este efeito benéfico no controle da liberação de espécies bioativas. O glifosato foi eficientemente incorporada aos filmes de NFC, quitosana e nanocompósitos. A presença do glifosato foi observada nos espectros na região do infravermelho, sendo mais evidente nos filmes de NFC e nos compósitos com maior concentração de NFC. Este aspecto indica maior interação entre a quitosana e o glifosato com melhor dispersão deste na matriz de quitosana. O trabalho desenvolvido é promissor, pois possibilitará o desenvolvimento de sistemas para liberação controlada do herbicida mais utilizado comercialmente usando matrizes poliméricas de origem natural. / The use of natural polymers in the preparation of polymer films with the purpose of releasing bioactive species has been proposed to control, through its matrix properties, the kinetics release of the species due to diffusion on its matrix and further biodegradation after contact with the medium. In this work, chitosan films modified with cellulose nanofibers (CNF) were prepared for incorporation of glyphosate and used to the study of physicochemical system properties. The films and nanocomposites showed up semi-crystalline and stable at room temperature. The water transport, steam permeation and water swelling tests have evidenced that CNFs offer a barrier effect, since the permeation decreases with increasing percentage of CNF, providing a beneficial effect in controlling the release of bioactive species. Glyphosate was efficiently incorporated into CNF films, chitosan and nanocomposites. The presence of glyphosate was observed in the infrared spectrum, being more evident and clear in CNF films and composites with higher CNF concentration. This aspect indicates a great interaction between chitosan and glyphosate and its excellent dispersion in the chitosan matrix. This is a promising investigation, as it will allow the development of systems for controlled release of the most commercially used herbicide, through the use of polymer matrices of natural origin. / Dissertação (Mestrado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Grafeno, uma rede bidimensional de Ãtomos de carbono, tem sido amplamente estudado durante os Ãltimos anos. O interesse por este material nÃo à apenas devido Ãs suas possÃveis aplicaÃÃes tecnolÃgicas futuras, mas tambÃm porque oferece a possibilidade de investigar fenÃmenos interessantes previstos pelas teorias quÃnticas de campo, que vÃo desde o tunelamento de Klein e outros efeitos quasi-relativÃsticos à existÃncia de novos tipos de graus de liberdade do elÃtron, ou seja, o pseudo-spin, e a existÃncia de dois vales eletrÃnicos nÃo-equivalentes na vizinhanÃa dos pontos sem gap do seu espectro de energia. VÃrias das propriedades exÃticas observadas no grafeno originam-se do facto de que dentro da aproximaÃÃo de baixas energias para o Hamiltoniano tight-binding do grafeno, elÃtrons se comportam como fÃrmions de Dirac sem massa, com uma dispersÃo de energia linear. Assim como no caso de uma monocamada de grafeno, o espectro eletrÃnico de baixas energias para uma bicamada de grafeno à sem gap, mas, neste caso, à dominado pela dispersÃo parabÃlica. No entanto, uma caracterÃstica interessante à compartilhada por ambas monocamada e bicamada de grafeno: o grau de liberdade de vale. Nesta tese, nÃs investigamos teoricamente: (i) as propriedades dinÃmicas em mono e bicamadas de grafeno, realizando um estudo sistemÃtico do espalhamento de pacotes de onda em diferentes formas de interfaces, bordas e potenciais; e, alÃm disso, (ii) os nÃveis de energia de sistemas confinados no grafeno na presenÃa ou ausÃncia de campos magnÃticos e elÃtricos externos. Na primeira parte do trabalho, nÃs utilizamos a abordagem tight-binding para estudar o espalhamento de um pacote de onda Gaussiano nas bordas de uma monocamada de grafeno (armchair e zigzag) na presenÃa de campos magnÃticos reais e pseudo-magnÃticos (induzidos por tensÃo) e tambÃm calculamos as probabilidades de transmissÃo de um pacote de onda Gaussiano atravÃs de um contato de ponto quÃntico definido por potenciais eletrostÃticos em bicamadas de grafeno. Estes cÃlculos numÃricos sÃo baseados na soluÃÃo da equaÃÃo de SchrÃdinger dependente do tempo para o Hamiltoniano do modelo tight-binding, usando a tÃcnica Split-operator. Nossa teoria permite investigar espalhamento no espaÃo recÃproco, e dependendo do tipo de borda do grafeno, nÃs observamos espalhamento dentro do mesmo vale, ou entre diferentes vales. Na presenÃa de um campo magnÃtico externo, as bem conhecidas Ãrbitas skipping orbits sÃo observadas. No entanto, nossos resultados demonstram que, no caso de um campo pseudo-magnÃtico induzido por uma tensÃo nÃo-uniforme, o espalhamento por uma borba armchair resulta em um estado de borda nÃo-propagante. NÃs tambÃm propomos um sistema de filtragem de vales muito eficiente atravÃs de um sistema de contato de ponto quÃntico definido por portas eletrostÃticas em uma bicamada de grafeno. Para o sistema de bicamadas sugerido, nÃs investigamos a forma de melhorar a eficiÃncia do sistema como um filtro de vales por diferentes parÃmetros, como comprimento, largura e amplitude do potencial aplicado. Na segunda parte da tese, nÃs apresentamos um estudo sistemÃtico dos espectros de energia de anÃis quÃnticos de grafeno com diferentes geometrias e tipos de borda, na presenÃa de um campo magnÃtico perpendicular. NÃs discutimos quais caracterÃsticas obtidas por meio de um modelo simplificado de Dirac podem ser recuperadas quando os auto-estados de anÃis quÃnticos de grafeno sÃo comparados com os resultados do modelo tight-binding. AlÃm disso, nÃs tambÃm investigamos os estados confinados em dois sistemas hÃbridos diferentes de monocamada - bicamada, identificando estados localizados dentro do ponto e estados de borda para as estruturas de confinamento em bicamadas sugeridas, assim como vamos estudar o comportamento dos nÃveis de energia em funÃÃo do tamanho do ponto e sob um campo magnÃtico externo aplicado. Finalmente, usando o modelo contÃnuo de Dirac de quatro bandas, nÃs tambÃm derivamos uma expressÃo geral para a condiÃÃo de contorno de massa infinita em bicamada de grafeno, a fim de aplicar essa condiÃÃo de contorno para calcular analiticamente os estados confinados e as correspondentes funÃÃes de onda em um ponto quÃntico em uma bicamada de grafeno na ausÃncia e na presenÃa de um campo magnÃtico perpendicular. Nossos resultados analÃticos apresentam boa concordÃncia quando comparados com os resultados tight-binding. / Graphene, a two-dimensional lattice of carbon atoms, has been widely studied during the past few years. The interest in this material is not only due to its possible future technological applications, but also because it provides the possibility to probe interesting phenomena predicted by quantum field theories, ranging from Klein tunneling and other quasi-relativistic effects to the existence of new types of electron degrees of freedom, namely, the pseudo-spin, and the existence of two inequivalent electronic valleys in the vicinity of the gapless points of its energy spectrum. Several of the exotic properties observed in graphene originate from the fact that within the low energy approximation for the tight-binding Hamiltonian of graphene, electrons behave as massless Dirac fermions, with a linear energy dispersion. Just like in single layer graphene, the low-energy eletronic spectrum in bilayer graphene is gapless, but in this case it is dominated by the parabolic dispersion. Nevertheless, one interesting feature is shared by both monolayer and bilayer graphene: the valley degree of freedom. In this thesis, we theoretically investigate: (i) the dynamic properties in mono and bilayer graphene, performing a systematic study of wave packet scattering in different interface shapes, edges and potentials; and furthermore (ii) the energy levels of confined systems in graphene in the presence or absence of external magnetic and electric fields. In the first part of the work, we use the tight-binding approach to study the scattering of a Gaussian wave packet on monolayer graphene edges (armchair and zigzag) in the presence of real and pseudo (strain induced) magnetic fields and also calculate the transmission probabilities of a Gaussian wave packet through a quantum point contact defined by electrostatic gates in bilayer graphene. These numerical calculations are based on the solution of the time-dependent SchrÃdinger equation for the tight-binding model Hamiltonian, using the Split-operator technique. Our theory allows us to investigate scattering in reciprocal space, and depending on the type of graphene edge we observe scattering within the same valley, or between different valleys. In the presence of an external magnetic field, the well known skipping orbits are observed. However, our results demonstrate that in the case of a pseudo-magnetic field, induced by non-uniform strain, the scattering by an armchair edge results in a non-propagating edge state. We propose also a very efficient valley filtering through a quantum point contact system defined by electrostatic gates in bilayer graphene. For the suggested bilayer system, we investigate how to improve the efficiency of the system as a valley filter by varying parameters, such as length, width and amplitude of the applied potential. In the second part of the thesis, we present a systematic study of the energy spectra of graphene quantum rings having different geometries and edge types, in the presence of a perpendicular magnetic field. We discuss which features obtained through a simplified Dirac model can be recovered when the eigenstates of graphene quantum rings are compared with the tight-binding results. Furthermore, we also investigate the confined states in two different hybrid monolayer - bilayer systems, identifying dot-localized states and edge states for the suggested bilayer confinement structures, as well as we will study the behavior of the energy levels as a function of dot size and under an applied external magnetic field. Finally, using the four-band continuum Dirac model, we also derive a general expression for the infinite-mass boundary condition in bilayer graphene in order to apply this boundary condition to calculate analytically the confined states and the corresponding wave functions in a bilayer graphene quantum dot in the absence and presence of a perpendicular magnetic field. Our analytic results exhibit good agreement when compared with the tight-binding ones.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-02-03T22:09:09Z No. of bitstreams: 1 JonasIvanNobreOliveira_TESE.pdf: 11177037 bytes, checksum: 2b572f71c5a1ab5e1c3a798571af4fed (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-02-04T20:35:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JonasIvanNobreOliveira_TESE.pdf: 11177037 bytes, checksum: 2b572f71c5a1ab5e1c3a798571af4fed (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-04T20:35:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JonasIvanNobreOliveira_TESE.pdf: 11177037 bytes, checksum: 2b572f71c5a1ab5e1c3a798571af4fed (MD5) Previous issue date: 2015-02-26 / Esta tese trata de duas pesquisas no campo da modelagem molecular, com diferentes naturezas conceituais, por?m, baseadas em semelhantes princ?pios te?ricos da f?sica qu?ntica e da qu?mica computacional. No primeiro estudo, com o intuito de esclarecer os aspectos estruturais e energ?ticos da estabilidade da tripla-h?lice do col?geno humano, foram quantificadas as energias de intera??o entre os res?duos de amino?cidos que comp?em o pept?deo homotrim?rico T3-785, por interm?dio de c?lculos de Mec?nica Qu?ntica na luz da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e do m?todo de Fracionamento Molecular com Capuzes Conjugados (MFCC). Assim, as for?as de atra??o e repuls?o de cada um dos 90 res?duos que comp?em o sistema foram assinadas e as regi?es com alta/baixa estabilidade identificadas e comparativamente analisadas. Os dados obtidos aprofundaram as discuss?es sobre a estabilidade conformacional do col?geno. Na segunda pesquisa, propriedades de transporte eletr?nico de dois modelos biol?gicos foram exploradas. Nesse sentido, 27 miRNAs associados ao autismo e pept?deos formados pelas sequ?ncias (Thr-Ala)n e (Ala-Lys)n tiveram suas curvas de corrente-voltagem (I x V) calculadas. Os c?lculos computacionais foram parcialmente executados pelo m?todo qu?ntico DFT e, fundamentalmente, dentro de um modelo tight-binding, em conjunto com a t?cnica de matriz de transfer?ncia. No caso dos miRNAs, os resultados sugerem que um tipo de biosensor pode ser desenvolvido para distinguir diferentes tipos de autismo. J? os pept?deos analisados, demonstraram-se como bons candidatos para a constru??o de um diodo molecular. Ambos os resultados podem fundamentar e estimular pesquisas experimentais com essas biomol?culas no campo da nanoeletr?nica.