Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we study simultaneously the structural, electronic and thermoelectric properties of PbSe and PbTe nanowires, analyzing the quantum confinement effects, the dependence with the planar stoichiometry and the spin-orbit interactions. We also study these nanowires in the presence of intrinsic defects (vacancies and antisites) and doped with group III (Al, Ga, In, and Tl) impurity. We use first principles calculations within the formalism of the density functional theory (DFT). We observed that the nanowires are more stable in the rock salt structure and aligned along the (001) direction. The electronic properties of nanowires are in uenced by three effects: the quantum confinement, spinorbit interactions and the planar stoichiometry. The quantum confinement increases the thermoelectric efficiency of the PbSe and PbTe nanowires when compared to the system in the bulk phase, reaching an increase up to two orders in the magnitude, leading the PbSe and PbTe nanowires with great potential to be used in thermoelectric devices. We studied the in uence of intrinsic defects and group III impurity doping in the main properties of PbSe and PbTe, we show that these defects give rise to different electronic properties in the nanowires as compared to the bulk one. Intrinsic defects and group III impurities, which modify the electronic density of states (DOS) near to the top of the valence band or near to the bottom of the conduction band increase the thermoelectric efficiency of the PbSe and PbTe nanowires. However, defects that introduce electronic levels in energy band gap are shown to cause and degradation in the thermoelectric efficiency. The increase (decrease) in thermoelectric efficiency is associated with a lower (higher) value of electronic part of the thermal conductivity. In summary, we show that PbSe and PbTe nanowires are very promising materials to be used in thermoelectric, electronic and optical devices. / Neste trabalho estudamos simultaneamente as propriedades estruturais, eletrônicas e termoelétricas de nanofios de PbSe e PbTe, analisando os efeitos do confinamento quântico, a dependência com a estequiometria planar e a interação spin-órbita. Estudamos também estes nanofios na presença de defeitos intrínsecos (vacâncias e antissítios) e impurezas do grupo III (Al, Ga, In e Tl). Utilizamos cálculos de primeiros pincípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade (DFT). Observamos que os nanofios são mais estáveis na estrutura rock salt, e alinhados ao longo da direção (001). As propriedades eletrônicas desse nanofios são influenciadas por três efeitos: o confinamento quântico, a interação spin-órbita, e a estequiometria planar. O confinamento quântico aumenta a eficiência termoelétrica do PbSe e PbTe em comparação ao observado para o bulk, chegando a um aumento de até duas ordens de grandeza, fazendo com que os nanofios de PbSe e PbTe tenham um grande potencial para serem utilizados em dispositivos termoelétricos. Estudamos a influência de defeitos intrínsecos e da dopagem de impurezas do grupo III nas principais propriedades do PbSe e PbTe, onde mostramos que essa influência é diferente no bulk e no nanofio. Defeitos intrínsecos e impurezas do grupo III que alteram a densidade de estados eletrônicos (DOS) nas proximidades do topo da banda de valência ou do fundo da banda de condução, observamos um aumento da ficiência termoelétrica dos nanofios de PbSe e PbTe. Porém aqueles que introduzem níveis no gap de energia fazem com que a eficiencia termoelétrica diminua. O aumento (diminuição) da eficiência termoelétrica está associado(a) ao menor (maior) valor da comdutividade térmica eletrônica. De maneira geral, mostramos que nanofios de PbSe e PbTe são materiais muito promissores para a aplicação em dispositivos termoelétricos, eletrônicos, óticos, etc.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2015-12-15T17:40:31Z No. of bitstreams: 1 GabrielaSalvadorOurique_DISSERT.pdf: 9103307 bytes, checksum: d30f3a32f57ad778a4352a7ac2b010f0 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2015-12-28T21:29:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 GabrielaSalvadorOurique_DISSERT.pdf: 9103307 bytes, checksum: d30f3a32f57ad778a4352a7ac2b010f0 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-28T21:29:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GabrielaSalvadorOurique_DISSERT.pdf: 9103307 bytes, checksum: d30f3a32f57ad778a4352a7ac2b010f0 (MD5) Previous issue date: 2014-07-18 / Dengue (DENVE) ? um importante v?rus pat?geno pertencente ao g?nero Flavivirus. O genoma do v?rus da Dengue, ? constitu?do de RNA envelopado de fita simples e sentido ?nico (+), possui aproximadamente 10.7-11 Kb. O RNA de DENV ? traduzido como uma ?nica poliprote?na. Esta poliprote?na, ? traduzida em 3 prote?nas estruturais (C, prM e E) e 7 n?o estruturais (NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B e NS5). A prote?na NS3 ? uma prote?na multifuncional que al?m de promover o processamento da poliprote?na do genoma viral, tamb?m possui atividade helic?sica, NTP?sica e RTP?sica. A NS3 precisa de cerca de 40 res?duos da prote?na NS2B (que age como cofator) para realizar suas atividades. Os tratamentos de DV atuais s?o principalmente sintom?ticos, n?o existem vacinas eficazes aprovadas e comercializadas, nem drogas antivirais dispon?veis para proteger ou curar a doen?a da dengue. O inibidor tetrapept?dico Bz-Nle-Lys-Arg-Arg-H, (com Ki de 5,8-7,0 ?M) tem sido apresentado na literatura como um potente inibidor da protease NS3 em DV. Sendo uma estrat?gia inteligente para o tratamento da Dengue. O presente trabalho objetivou estudar as intera??es do ligante junto ao s?tio ativo para fornecer uma vis?o mais clara e aprofundada dessas intera??es. Para tal desenvolveu-se um estudo in silico, com utiliza??o de c?lculos de mec?nica qu?ntica, baseada na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), com aproxima??es do Gradiente Generalizado (GGA) para descri??o dos efeitos de correla??o e troca. A energia de intera??o de cada amino?cido do s?tio de liga??o, com o ligante foi calculada com base no m?todo de fragmenta??o molecular com capas conjugadas (MFCC). Al?m da energia, foram calculadas as dist?ncias, tipos de intera??es moleculares e grupos at?micos envolvidos. Os modelos te?ricos utilizados foram satisfat?rios e demonstraram uma descri??o mais precisa com a utiliza??o da constante diel?trica ?=20 e 80. Os resultados demonstram que a energia de intera??o do sistema atingiu a converg?ncia em 13,5A. Dentro desse raio de intera??o os res?duos mais importantes foram identificados. Met49, Met84 e Asp81 realizam intera??es de hidrog?nio. Os res?duos Asp79 e Asp75 apresentam elevada energia de atra??o. J? res?duos como Arg54, Arg85 e Lys 131 realizam intera??es de hidrog?nio pr?ximas com o ligante, por?m, aparecem no gr?fico do BIRD possuindo elevada energia de repuls?o com o inibidor. Os resultados tamb?m destacam a import?ncia do res?duo Tyr161 e o envolvimento da tr?ade catal?tica constitu?da por Asp75, Ser135 e His51. / Dengue virus is an important patogen that causes Dengue desease in all world, and belongs to Flavivirus gender. The virus consists of enveloped RNA with a single strand positive sense, 11Kb genome. The RNA is translated into a polyprotein precursor, wich is cleaved into 3 structural proteins (C, prM e E) and 7 non-structural proteins (NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B e NS5). The NS3 is a multifunctional protein, that besides to promote the polyprotein precursor cleavage, also have NTPase, helicase and RTPase activity. The NS3 needs a hydrophilic segment of 40 residues from the transmembrane NS2B protein (who acts like cofator) to realize this functions. Actually, there's no vacines available on the market, and the treatment are just symptomatic. The tetrapeptide inhibitor Bz-Nle-Lys-Arg-Arg-H (Ki de 5,8-7,0 M) was showed as a potent inhibitor ? for NS3prot in Dengue virus. That is a inteligent alternative to treat the dengue desease. The present work aimed analyse the interactions of the ligand bounded to the activity site to provid a clear and depth vision of that interaction. For this purpouse, it was conducted an in silico study, by using quantum mechanical calculations based on Density Functional Theory (DFT), with Generalized Gradient approximation (GGA) to describe the effects of exchange and correlation. The interaction energy of each amino acid belonging to the binding site to the ligand was calculated the using the method of molecular fragmentation with conjugated caps (MFCC). Besides energy, we calculated the distances, types of molecular interactions and atomic groups involved. The theoretical models used were satisfactory and show a more accurate description when the dielectric constant = 20 ? and 80 was used. The results demonstrate that the interaction energy of the system reached convergence at 13.5 A. Within a radius of 13,5A the most important residues were identified. Met49, Met84 and Asp81 perform interactions of hydrogen with the ligant. The Asp79 and Asp75 residues present high energy of attraction. Arg54, Arg85 and Lys 131 perform hydrogen interactions with the ligand, however, appear in BIRD graph having high repulsion energy with the inhibitor. The data also emphasizes the importance of residue Tyr161 and the involvement of the catalytic triad composed by Asp75, His51 and Ser135

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-01-12T13:44:02Z No. of bitstreams: 1 AmisonRickLopesDaSilva_DISSERT.pdf: 3032672 bytes, checksum: 3706691ab11516af6b2311a9f7d98456 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-01-16T16:12:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 AmisonRickLopesDaSilva_DISSERT.pdf: 3032672 bytes, checksum: 3706691ab11516af6b2311a9f7d98456 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-16T16:12:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AmisonRickLopesDaSilva_DISSERT.pdf: 3032672 bytes, checksum: 3706691ab11516af6b2311a9f7d98456 (MD5) Previous issue date: 2016-07-20 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / A oxida??o eletroqu?mica ? um tipo de processo que pode ocorrer diretamente no ?nodo, a partir de uma transfer?ncia direta com a superf?cie, ou tamb?m atrav?s de uma oxida??o indireta mediante a gera??o de esp?cies ativas de oxig?nio as quais podem ser fisicamente adsorvidas (na forma de radicais hidroxila (?OH), ou quimicamente adsorvidas (oxig?nio se apresenta em estrutura de ?xido), na superf?cie do eletrodo. Esse processo est? relacionado ao tipo do material an?dico utilizado e a sua atividade eletrocatal?tica. Por?m, essa atividade pode ser tamb?m, prejudicada devido ? forma??o de filmes polim?ricos, rea??es paralelas de produ??o de oxidantes bem como, a rea??o de evolu??o de oxig?nio. Dentre os materiais eletrocatal?ticos mais estudados encontra-se os filmes de diamante dopado com boro (DDB). O eletrodo de DDB possui excelentes propriedades tais como estabilidade eletroqu?mica a elevadas densidades de correntes, estabilidade a corros?o, superf?cie inerte com baixas propriedades de adsor??o e dureza. A alta efici?ncia do DDB para remo??o dos compostos org?nicos ? atribu?da ? capacidade de produzir uma grande quantidade de radicais hidroxilas mediante a eletr?lise da ?gua. Estes radicais apresentam alta reatividade com os compostos org?nicos, devido ? sua fraca intera??o (fracamente adsorvido) com o filme de DDB s?o tamb?m, n?o seletivos e mineralizam completamente poluentes org?nicos com uma alta efici?ncia de corrente. Entretanto, alguns compostos org?nicos s?o de f?cil degrada??o em rela??o a outros, bem como, alguns compostos org?nicos tamb?m interagem com a superf?cie do DDB. Assim, devido ? necessidade de entender o processo qu?mico em escala molecular, a inclus?o de estudos te?ricos computacionais esta sendo de maior interesse, na qual s?o desenvolvidos c?lculos f?sico-qu?micos advindos da qu?mica qu?ntica, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). A DFT trata sistemas com muitos el?trons usando fun??es que representam a densidade eletr?nica das mol?culas a fim de se obter: propriedades eletr?nicas, cargas at?micas e energias dos intermedi?rios que comp?e a superf?cie de energia potencial de uma rea??o qu?mica, avaliar a estabilidade de modo comparativo entre compostos e entender os mecanismos de rea??o seguidos e propostos. Assim, o objetivo deste trabalho foi o uso de DDB para o estudo do comportamento eletroqu?mico de compostos org?nicos (hidroquinona, catecol, resorcinol, ?cido ac?tico, ?cido f?rmico e ?cido ox?lico) bem como o entendimento do processo de degrada??o, dos mesmos quando eletrolisados. Al?m disso, estudos computacionais referentes ao comportamento das esp?cies qu?micas frente ao eletrodo de DDB com a inten??o de obter as configura??es de intera??o do composto org?nico na superf?cie do eletrodo ou no entendimento de desvendar as intera??es entre as esp?cies oxidantes fortes em solu??o com os compostos org?nicos durante sua degrada??o. / The Electrochemical Oxidation is a kind of process that can occur directly at the anode from a direct transfer to the surface, or also by means of indirect oxidation by the generation of active oxygen species which can be physically adsorbed (in form of hydroxyl radical (? OH)), or chemically adsorbed (oxygen is present in oxide structure) on the electrode surface. this process is related to the type of anode material used and its electrocatalytic activity. However, this activity can also be impaired due to the formation of polymeric films, production of parallel oxidant reactions as well reaction of oxygen evolution. Among the most studied electrocatalytic material is diamond films doped with boron (BDD). the BDD electrode has excellent electrochemical properties such as stability at high current densities, corrosion stability, inert surface with low adsorption properties, and hardness. The high efficiency of the BDD for removal of organic compounds is attributed to their ability to produce a large amount of hydroxyl radicals by the electrolysis of water. These radicals have high reactivity with organic compounds, due to their weak interaction (weakly adsorbed) with the film BDD, they are also not selective and completely mineralize organic pollutants with a high current efficiency. However, some organic compounds are easy to degradation than others, as well as certain organic compounds also interact with the surface of BDD. Thus, because of the need to understand the chemical process at the molecular level, including computational theoretical studies that are of most interest, which are developed physico-chemical calculations arising from quantum chemistry, using Density Functional Theory (DFT). The DFT is systems with many electrons using functions representing the electron density of molecules in order to obtain electronic, atomic charges and derivatives of energy the potential energy surface of a chemical reaction, to evaluate the stability of the compounds and understand the reaction mechanisms followed and proposed. The objective of this work was the use of BDD to study the electrochemical behavior of organic compounds (hydroquinone, catechol, resorcinol, acetic acid, formic acid and oxalic acid) as well as the understanding of the degradation process of the same when in electrolysis. Moreover, computational studies on the behavior of chemical species across the BDD electrode with the intention of obtaining the organic compound interaction settings on the surface of the electrode or the understanding to unravel the interactions between strong oxidizing species in solution with organic compounds during its degradation.

As reações de cicloadição 1,3-dipolar são uma poderosa ferramenta para a síntese de uma variedade de anéis heterocíclicos de cinco membros. A cicloadição de óxidos de nitrila à olefinas, em particular, é de considerável interesse para a obtenção de isoxazolinas, que são intermediários versáteis na síntese de produtos naturais e de materiais com potencial aplicação como cristais líquidos. A Teoria do Funcional da Densidade foi utilizada para estudar o mecanismo da reação cicloadição [3+2] 1,3-dipolar que ocorre, inicialmente, entre o óxido de benzonitrila e o ácido vinilacético. Para tal, foram empregados os funcionais PBE1PBE, B3LYP e CAM-B3LYP, no nível 6-311+G(2d,p). O efeito do solvente foi avaliado através dos modelos PCM e CPCM, com os solventes THF, acetonitrila e formamida. A análise dos Orbitais Moleculares de Fronteira e do recente modelo da distorção e interação do estado de transição (TS), foram utilizadas para explicar a regioquímica dos produtos obtidos e a formação do bisaduto 2:1, originário de duas sucessivas cicloadições envolvendo o óxido de benzonitrila. Na primeira etapa da reação, os cálculos evidenciaram a formação do produto 3,5-dissubstiuído. Embora existam diferenças quantitativas nas barreiras de ativação e reação calculadas com os três diferentes funcionais, a previsão dos produtos majoritários e estados de transição mais favoráveis é a mesma, independentemente do funcional utilizado. Contudo, a conformação dos estados de transição e dos produtos intermediário e final da reação sofre uma pequena alteração com a inclusão do efeito do solvente. A energia de ativação nas duas cicloadições aumenta com o incremento da polaridade do solvente, porém, a possibilidade de formação de uma ligação de hidrogênio no estado de transição é responsável por uma diminuição na energia total de ativação. Esse resultado está diretamente vinculado à polaridade do TS. Quando comparados os resultados obtidos com os dois modelos de solvente, observou-se que ΔE≠ e ΔEreação são essencialmente as mesmas, embora as energias eletrônicas calculadas com CPCM sejam levemente inferiores às calculadas com PCM. / The 1,3-dipolar cycloaddition reactions are a powerful tool for synthesizing a wide range of 5-membered heterocyclic rings. Particularly, the cycloaddition of nitrile oxides to olefins is considerably interesting to obtain isoxazolines, which are versatile intermediaries in the synthesis of natural products and materials with potential application such as liquid crystals. The Density Functional Theory has been used to study the [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction mechanism that initially occurs between benzonitrile oxide and vinylacetic acid. To do that, PBE1PBE, B3LYP and CAM-B3LYP functionals have been used at level 6- 311+G(2d,p). The solvent effect was evaluated through the PCM and CPCM models, with the THF, acetonitrile and formamide solvents. The analysis of the Frontier Molecular Orbitals and of the recent distortion and interaction model of transition state (TS) have been used to explain the regiochemistry of the products obtained and the formation of the bisadduct 2:1, which is originated from two successive cycloadditions involving benzonitrile oxide. In the first reaction step, the calculations showed the formation of the 3,5-dissubstituted product. Although there are quantitative differences in the activation and reaction barriers calculated with the three different functionals, the forecasting of more favorable majoritary products and transition states is the same, no matter the functional used. However, the conformation of the transition states and of the final and intermediary products of the reaction is slightly changed by the inclusion of the solvent effect. The activation energy of both cycloadditions increases with the polarity increment of the solvent, but the possibility of formation of a hydrogen bond in the transition state is responsible for a reduction of the total activation energy. That result is directly linked to the TS polarity. When we compare the results obtained with the two solvent models, we observe that ΔE≠ and ΔEreaction are essentially the same, although the electronic energies calculated with CPCM are slightly smaller than the ones calculated with PCM.

Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas das nanopartículas puras de prata (Ag) e de ouro (Au) e estruturas do tipo core-shell com número total de átomos variando de 147 à 923, no formato cubo-octaédrico. Estudamos também a adsorção da molécula de metanotiol (SCH4) sobre os sítios de coordenação dessas nanoestruturas, analisando, entre outros aspectos, os efeitos da interação de van de Waals. Para tanto, foram feitos cálculos teóricos de primeiros princípios dentro da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) usando a Aproximação do Gradiente Generalizado (GGA) e Pseudopotenciais Ultrassuaves (USPP). Concluímos que as maiores nanopartículas puras e core-shell apresentam uma superfície mais esférica e suas energias de formação tendem às energias das superfícies [001] e [111] e dos bulks de Ag e de Au. Uma única camada de shell de ouro ou de prata na core-shell já determina praticamente o comportamento energético e as propriedades da nanopartícula. A inclusão da interação de van de Waals nos cálculos uniformiza, de certa forma, os padrões de deslocamento atômico das superfícies das nanopartículas e o comportamento energético das core-shell, sem entretanto alterar o perfil das densidades de estado. A adsorção da molécula de metanotiol nas nanopartículas puras de Ag e de Au e suas core-shell foi analisada verificando-se que ela praticamente não perturba os estados eletrônicos das nanopartículas e que sua estrutura molecular é preservada. Nas nanopartículas maiores verifica-se um único padrão de adsorção independente do número de camadas de shell nas estruturas core-shell. / In this work we study the structural, energetic and electronic properties of the pure nanoparticles of silver (Ag) and gold (Au) and their core-shell with total number of atoms ranging from 147 to 923 in cube-octahedral shape. We also investigated the adsorption of the methanethiol molecule (SCH4) in the coordination sites of these nanoparticles, analyzing, among other things, the influence of dispersion(van der Waals) interactions. Our simulations are performed using first principles theoretical calculations within of the Density Functional Theory (DFT) framework, described in terms of the Generalized Gradient Approximation (GGA), and by using Ultra-Soft Pseudo-potentials (USPP). We conclude that the largest pure nanoparticles and core-shell have a more spherical surface and their formation energies tend to formation energies of bare surfaces [001] and [111] and bulks of Ag and Au. A single layer of gold or silver shell already determines the properties and energetic behavior of the nanoparticles. The inclusion of van der Waals\' dispersion interaction in the calculations makes uniform, in certain way, the atomic displacement patterns surfaces of the nanoparticles and energetic behavior of core-shell, without change the form of the density of states. The adsorption of methanethiol molecule on the surface of the Ag and Au pure nanoparticles and their core-shell was analyzed and we verified that it almost does not disturb the electronic states of the nanoparticles and their molecular structure is preserved. In the largest nanoparticles we checking only one pattern of adsorption independent of the number of layers shell in the core-shell.

O uso de nanomateriais em aplicações como catálise e medicina, despertou nos últimos anos o interesse no estudo das propriedades de nanoclusters. O estudo das propriedades termodinâmicas desses sistemas é essencial, pois mudanças estruturais originadas de mudanças de fase podem alterar propriedades como atividade catalítica, momento magnético e propriedades óticas. A dinâmica molecular vêm sendo utilizada para o estudo computacional das propriedades termodinâmicas de diversos nanomateriais, enquanto o uso de métodos de Monte Carlo (MC), nesse contexto, tem se restringido ao estudo de nanoclusters de Lennard-Jones (LJ). Para avaliar a viabilidade do uso de métodos de MC no estudo de propriedades de sistemas reais, uma implementação do método Parallel Tempering Monte Carlo (PTMC) utilizando algoritmos do estado da arte para realização de trocas, determinação de temperaturas e ajuste de deslocamentos foi construída. Através de testes, é mostrado que alguns dos algoritmos implementados podem não ser adequados ao estudo do problema em questão. A implementação foi validada com o estudo das propriedades termodinâmicas de nanoclusters de LJ com 38, 55 e 147 átomos, que possuem resultados conhecidos na literatura. Além disso, resultados para propriedades do nanocluster LJ98 são apresentados, e devido à características estruturais desse sistema, é observada uma transição sólido-sólido entre as estruturas tetraédricas e icosaédricas em temperatura abaixo da de fusão. A hipótese do uso do algoritmo PTMC para o estudo de propriedades de materiais reais, foi testada nas nanoligas (PtCo)55 e (PtNi)55, descritas pelo potencial de Gupta. Através da comparação das estruturas de mais baixa energia com resultados de teoria do funcional da densidade (DFT, do inglês), é mostrado que o uso do potencial de Gupta pode ser justificado, dados os baixos desvios no comprimento de ligação (menores que 2.4%) e a semelhança de outras características estruturais. Os resultados obtidos indicam que o método PTMC é capaz de identificar as mudanças de fase das nanoligas estudadas. Essas mudanças são ilustradas e analisadas com o uso de um algoritmo para a comparação da similaridade de estruturas, com o qual foi possível analisar a fusão dos nanoclusters Co55, Ni55, Pt30Co25 e Pt40Ni15 (obtida em temperaturas entre 900 e 1100 K); além da fusão, a 727 K, e transição sólido-sólido, a 300 K, para a Pt55. Com as estruturas mais frequentes, encontradas através da análise de similaridade, e com a realização de cálculos DFT, foi possível observar um deslocamento do centro da banda d em direção ao HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) causado pelo aumento da temperatura. Esse deslocamento, segundo o modelo da banda d válido para superfícies, pode indicar uma maior reatividade dos nanoclusters nesses casos. / The use of nanomaterials in applications such as catalysis and medicine, aroused in the last years interest in studying properties of nanoclusters. The study of thermodynamic properties of these systems is essential, since structural changes originated from phase changes can alter properties such as catalytic activity, magnetic moment and optical properties. Molecular dynamics have been used for the computational study of thermodynamic properties of various nanomaterials, while the use of Monte Carlo methods (MC), in this context, has been restricted to the study of Lennard-Jones (LJ) nanoclusters. To evaluate the feasibility of using MC methods to study properties of real systems, an implementation of the Parallel Tempering Monte Carlo (PTMC) method using state of the art algorithms to perform exchanges, determine the temperature set and adjust the maximum displacement, was built. Through testing, it is shown that some of the implemented algorithms may not be suitable for the study of the problem in question. The implementation was validated by studying the thermodynamic properties of LJ nanoclusters with 38, 55 and 147 atoms, which have results known in the literature. In addition, results for the properties of the LJ98 nanocluster are reported, and due to the structural features of this system, a solid-solid transition between the tetrahedral and icosahedral structures in a temperature below melting is observed. The possibility of using the PTMC algorithm in the study of properties of real materials, is tested in the (PtCo)55 and (PtNi)55 nanoalloys, described by the Gupta potential. By comparing the lowest energy structures with density functional theory (DFT) results, it is shown that the use of the Gupta potential can be justified, given the small deviation in the bond lenght (less than 2.4%) and the similarity of other structural features. The results indicate that the PTMC method is able to identify the phase changes in the studied nanoalloys. These changes are illustrated and analyzed with the use of an algorithm for comparing the structure similarity, which made possible the analysis of the melting of the Co55, Ni55, Pt30Co25 e Pt40Ni15 nanoclusters (obtained at temperatures between 900 e 1100 K); and the melting at 727 K, and solid-solid transition at 300 K, for Pt55. With the most frequent structures, obtained by the similarity analysis, and through DFT calculations, it was possible to observe a shift in the d band center to the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) caused by the temperature increase. This shift, following the d band model valid for surfaces, may indicate a higher reactivity of the nanocluster in these cases.

Simulações de propriedades de estrutura eletrônica possuem fundamental importância para a física do estado sólido e química quântica. A teoria do funcional da densidade (DFT) é atualmente o método de estrutura eletrônica mais empregado, desde escalas atômicas e nanoscópicas até aglomerados biomoleculares. A acurácia da DFT depende essencialmente de aproximações para os efeitos de troca e correlação, para as quais existem vínculos a serem satisfeitos como forma de controlar sua construção. Esse é um tópico de grande importância, pois a construção de melhores funcionais é necessária para uma descrição cada vez mais precisa dos efeitos de muitos corpos na DFT. No presente trabalho, investigamos o comportamento da energia de troca e correlação e o desenvolvimento de funcionais aproximados sob a ótica de um vínculo universal de sistemas de interação Coulombiana, o limite inferior de Lieb-Oxford. Primeiramente apresentamos evidências de que em diversas classes de sistemas a energia de troca e correlação é distante do limite de Lieb-Oxford. A redução do limite foi implementada nos funcionais Perdew-Burke-Erzenhof (PBE), porém a forma com que o vínculo é implementado apenas aumentou a energia de troca. Propusemos em seguida que o limite de Lieb-Oxford não fosse utilizado apenas para determinar o valor de um parâmetro, como em PBE, mas que fosse ponto-de-partida de uma nova forma família de funcionais, do tipo hiper-GGA. Exploramos uma construção não-empírica, com implementação pós-autoconsistente. A particular forma proposta se beneficiou da redução do limite Lieb-Oxford, obtendo resultados satisfatórios para as energias de correlação. / Electronic-structure calculations play a fundamental role in solid-state physics and quantum chemistry. Density-functional theory (DFT) is today the most-widely used electronic-structure method, from atomic and nanoscopic scales to biomolecular aggregates. The accuracy of DFT depends essentially on approximations to the exchange and correlation energy, which are controlled by exact constraints. This is a very important issue, since the improvement of functionals is the key to a better description of many-body effects. In the present work, we investigate the exchange-correlation energy and approximate functionals from the viewpoint of an universal constraint on interacting Coulomb systems: the Lieb-Oxford lower bound. Initially we present evidence that for several classes of systems (atoms, ions, molecules and solids), the actual exchange-correlation energies are far from the Lieb-Oxford lower bound. A tighter form of this bound was conjectured; implemented in the Perdew-Burke-Erzenhof (PBE) functionals, and tested for atoms, molecules and solids. Finally, we propose to use the Lieb-Oxford bound not just to fix the value of a parameter as in PBE, but as a starting point for a new family of hyper-GGA functionals. For these, we explored a non-empirical construction, investigating its performance for atoms and small molecules post-selfconsistently. The particular HGGA proposed benefited from the tightening of the Lieb-Oxford bound and exhibited satisfactory correlation energies.

As reações de cicloadição 1,3-dipolar são uma poderosa ferramenta para a síntese de uma variedade de anéis heterocíclicos de cinco membros. A cicloadição de óxidos de nitrila à olefinas, em particular, é de considerável interesse para a obtenção de isoxazolinas, que são intermediários versáteis na síntese de produtos naturais e de materiais com potencial aplicação como cristais líquidos. A Teoria do Funcional da Densidade foi utilizada para estudar o mecanismo da reação cicloadição [3+2] 1,3-dipolar que ocorre, inicialmente, entre o óxido de benzonitrila e o ácido vinilacético. Para tal, foram empregados os funcionais PBE1PBE, B3LYP e CAM-B3LYP, no nível 6-311+G(2d,p). O efeito do solvente foi avaliado através dos modelos PCM e CPCM, com os solventes THF, acetonitrila e formamida. A análise dos Orbitais Moleculares de Fronteira e do recente modelo da distorção e interação do estado de transição (TS), foram utilizadas para explicar a regioquímica dos produtos obtidos e a formação do bisaduto 2:1, originário de duas sucessivas cicloadições envolvendo o óxido de benzonitrila. Na primeira etapa da reação, os cálculos evidenciaram a formação do produto 3,5-dissubstiuído. Embora existam diferenças quantitativas nas barreiras de ativação e reação calculadas com os três diferentes funcionais, a previsão dos produtos majoritários e estados de transição mais favoráveis é a mesma, independentemente do funcional utilizado. Contudo, a conformação dos estados de transição e dos produtos intermediário e final da reação sofre uma pequena alteração com a inclusão do efeito do solvente. A energia de ativação nas duas cicloadições aumenta com o incremento da polaridade do solvente, porém, a possibilidade de formação de uma ligação de hidrogênio no estado de transição é responsável por uma diminuição na energia total de ativação. Esse resultado está diretamente vinculado à polaridade do TS. Quando comparados os resultados obtidos com os dois modelos de solvente, observou-se que ΔE≠ e ΔEreação são essencialmente as mesmas, embora as energias eletrônicas calculadas com CPCM sejam levemente inferiores às calculadas com PCM. / The 1,3-dipolar cycloaddition reactions are a powerful tool for synthesizing a wide range of 5-membered heterocyclic rings. Particularly, the cycloaddition of nitrile oxides to olefins is considerably interesting to obtain isoxazolines, which are versatile intermediaries in the synthesis of natural products and materials with potential application such as liquid crystals. The Density Functional Theory has been used to study the [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction mechanism that initially occurs between benzonitrile oxide and vinylacetic acid. To do that, PBE1PBE, B3LYP and CAM-B3LYP functionals have been used at level 6- 311+G(2d,p). The solvent effect was evaluated through the PCM and CPCM models, with the THF, acetonitrile and formamide solvents. The analysis of the Frontier Molecular Orbitals and of the recent distortion and interaction model of transition state (TS) have been used to explain the regiochemistry of the products obtained and the formation of the bisadduct 2:1, which is originated from two successive cycloadditions involving benzonitrile oxide. In the first reaction step, the calculations showed the formation of the 3,5-dissubstituted product. Although there are quantitative differences in the activation and reaction barriers calculated with the three different functionals, the forecasting of more favorable majoritary products and transition states is the same, no matter the functional used. However, the conformation of the transition states and of the final and intermediary products of the reaction is slightly changed by the inclusion of the solvent effect. The activation energy of both cycloadditions increases with the polarity increment of the solvent, but the possibility of formation of a hydrogen bond in the transition state is responsible for a reduction of the total activation energy. That result is directly linked to the TS polarity. When we compare the results obtained with the two solvent models, we observe that ΔE≠ and ΔEreaction are essentially the same, although the electronic energies calculated with CPCM are slightly smaller than the ones calculated with PCM.

Submitted by MARCIA ROVADOSCHI (marciar@unifra.br) on 2018-08-16T18:21:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MarianaZancanTonel.pdf: 3760171 bytes, checksum: 30f56b8eeff4822bbb2bcb24f32cf7be (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T18:21:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_MarianaZancanTonel.pdf: 3760171 bytes, checksum: 30f56b8eeff4822bbb2bcb24f32cf7be (MD5) Previous issue date: 2013-08-30 / Graphene has attracted great interest from the scientific community since it was demonstrated its stability in 2004. Because of their structural and electronic characteristics, offers a wide variety of applications, such as in the electronics industry and medicine. Graphene is a single layer of graphite in which carbon atoms are arranged in hexagonal form. Meanwhile, doxorubicin (DOX) is a drug widely used for the treatment of various cancers. However, this molecule has a high toxicity mainly in the cardiovascular system. Recent experimental studies have demonstrated that the combination of doxorubicin and graphene can kill malignant cells selectively. This process is also associated with ambient temperatures due to the ability of carbon nanostructures such as graphene and carbon nanotube that can convert infrared radiation into vibrational energy generating heat and causing apoptosis of the malign cells. In this work, we present the structural and electronic properties of graphene, pure and vacancy-type defects, interacting with the DOX molecule by density functional theory (DFT) making use of computer code SIESTA. The results showed that DOX interacting with the pure graphene has a biding energy in the range from 0.88 to 1.09 eV (LDA and GGA, respectively) and the graphene vacancy type defect binding energy is about 1.09 to 0.84 eV (LDA and GGA, respectively). Likewise, it is observed that no major changes in the original electronic properties of graphene. Also, in this work was analyzed by ab initio molecular dynamics (MD-AI) position of the molecule DOX against the graphene temperature variation and it is noted that the largest spacing occurs at 300K for both as pure graphene for graphene with vacancy-type defect interacting with DOX. / O grafeno vem atraindo grande interesse da comunidade científica desde que foi demonstrada a sua estabilidade em 2004. Devido as suas características estruturais e eletrônicas, oferece uma grande variedade de aplicações, tais como na indústria eletrônica e na medicina. O grafeno é uma única camada de grafite na qual os átomos de carbono estão arranjados de forma hexagonal. Paralelamente, a doxorrubicina (DOX) é um fármaco amplamente utilizado para o tratamento de diversos tipos de câncer. No entanto, essa molécula possui alta toxicidade principalmente no sistema cardiovascular. Estudos experimentais recentes têm demonstrado que a combinação de grafeno e DOX pode causar a morte seletiva de células malignas. Este processo também está associado com temperatura ambiente, pois nanoestruturas de carbono como grafeno e nanotubo de carbono podem converter a radiação infravermelha em energia vibracional gerando calor causando a apoptose de células malignas. Neste trabalho apresentaremos as propriedades estruturais e eletrônicas do grafeno, puro e com defeito do tipo vacância, interagindo com a molécula de DOX por meio da teoria do funcional de densidade (DFT) fazendo uso do código computacional SIESTA. Os resultados mostram que a DOX interagindo com o grafeno puro tem uma energia de ligação na ordem de 0,88 e 1,09eV (LDA e GGA, respectivamente) e no grafeno com defeito do tipo vacância a energia de ligação é da ordem de 1,09 e 0,84eV (LDA e GGA, respectivamente). Da mesma forma, observa-se que não ocorrem alterações significativas nas propriedades eletrônicas originais do grafeno. Também, neste trabalho, foi analisada através da dinâmica ab initio (DM-AI) a posição da molécula de DOX em relação ao grafeno com a alteração de temperatura e observou-se que o maior afastamento ocorreu à 300K tanto para o grafeno puro como para o grafeno com defeito tipo vacância interagindo com a DOX.

Submitted by MARCIA ROVADOSCHI (marciar@unifra.br) on 2018-08-16T19:18:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_StefanieCamileSchwarz.pdf: 4856284 bytes, checksum: 44cfd214dcaef363e2c95f4738d9ab14 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T19:18:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_StefanieCamileSchwarz.pdf: 4856284 bytes, checksum: 44cfd214dcaef363e2c95f4738d9ab14 (MD5) Previous issue date: 2014-12-16 / Nanotechnology is a term used to describe the studies that intend to understand and control the matter at the nanoscale. On this scale, the structures can present different chemical and physicochemical properties and behaviors from those observed in macro or microscales. Among the nanomaterials, graphene is highlighted due to its bidimensional structure, as well as its physical and chemical properties. It possesses promising technological and biomedical applications. The combination of graphene and molecules of biological interest, such as phthalocyanines (Pc), is a major focus of studies for the development of systems for nanobiotechnology. Thus, in this work, the interaction of graphene with Fe, Mn and Cu metallophthalocyanines (MPc) is studied, by chemical and physical adsorption, through ab initio calculations based on the density functional theory formalism, using the SIESTA computational code. First of all, it was evaluated the isolated Pc behavior, as well as its interaction with the Fe, Mn and Cu transition metals. It was observed that the metals interact strongly with the Pc forming stable complexes. Subsequently, it was studied the interaction of graphene and the MPc in order to understand the energetic, magnetic and structural properties of these structures to support the use of these nanomaterials in future biomedical applications. The results show that it is possible to observe that depending on the MPc metal, different values for the charge transfer as well as for spin polarization between the systems may occur, but all the systems present a weak interaction, via physical adsorption, between graphene and the MPc. / A nanotecnologia é um termo utilizado para denominar os estudos que buscam compreender e controlar a matéria em escala nanométrica. Nessa escala, as estruturas podem apresentar propriedades químicas, físico-químicas e comportamentos diferentes daquelas observadas em escalas macro ou micrométricas. Dentre os nanomateriais se destaca o grafeno que devido a sua estrutura bidimensional, assim como suas propriedades físicas e químicas, possui promissoras aplicações tecnológicas e biomédicas. A associação do grafeno com moléculas de interesse biológico, como as ftalocianinas (Pc), é um grande foco de estudos para o desenvolvimento de sistemas para nanobiotecnologia. Dessa forma, nesse trabalho, é estudada a interação do grafeno com as metaloftalocianinas (MPc) de Fe, Mn e Cu, via adsorção química e física, através de cálculos ab initio baseados no formalismo da teoria do funcional da densidade, utilizando o código computacional SIESTA. Primeiramente, avaliou-se o comportamento da Pc isolada, bem como essa molécula interagindo com os metais de transição Fe, Mn e Cu. Observou-se que os metais interagem fortemente com a Pc formando complexos estáveis. Posteriormente, estudou-se a interação do grafeno com as MPc afim de compreender as propriedades energéticas, magnéticas e estruturais dessas estruturas podendo auxiliar o uso desses nanomateriais em futuras aplicações biomédicas. A partir dos resultados, é possível observar que dependendo do metal da MPc podem ocorrer diferentes valores para transferência de carga e polarização de spin entre os sistemas, entretanto todos apresentam interação fraca, via adsorção física, entre o grafeno e as MPc.