CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho à dedicado ao estudo do processo de transporte de fluido e massa atravÃs de sistemas irregulares. Na primeira parte desta tese, abordamos a dinÃmica do escoamento ocorrendo atravÃs de canais rugosos auto-afins. Essencialmente, os aspectos relevantes na compreensÃo do escoamento em sistemas irregulares sÃo o {it estrutural}, intimamente associado à conformaÃÃo topolÃgica e morfolÃgica do meio, e o {it fenomenolÃgico}, que faz referÃncia aos mecanismos de transporte. Portanto, inicialmente descrevemos a topologia e a morfologia do sistema irregular. Consideramos que a geometria das interfaces que constituem o duto apresenta propriedades estatÃsticas invariantes sob transformaÃÃes de escala anisotrÃpicas, ou seja, possuem correlaÃÃes espaciais de longo alcance e podem, portanto, ser caracterizadas como superfÃcies fractais auto-afins. Mostramos que o carÃter irregular desta geometria adiciona um grau de complexidade ao problema do escoamento, refletindo-se nas propriedades dos campos de velocidade e pressÃo. Como complementaÃÃo deste estudo, investigamos o processo do transporte de partÃculas com massa arrastadas por um fluido escoando no interior das estruturas rugosas anteriormente mencionadas. Investigamos como a rugosidade da estrutura influencia fortemente a natureza deste fenÃmeno e estudamos o comportamento do tempo mÃdio de trÃnsito das partÃculas no interior destes dutos rugosos, em funÃÃo de parÃmetros como o nÃmero de Stokes e o coeficiente de restituiÃÃo. Mostramos que o transporte de partÃculas em dutos com geometria auto-afim à caracterizado pela existÃncia de quatro regimes bem distintos entre si e determinados pela competiÃÃo localizada entre dois mecanismos: as interaÃÃes partÃcula-estrutura (colisÃes) e partÃcula-fluido (escoamento). AtravÃs de simulaÃÃes numÃricas de partÃculas nÃo-Brownianas transportadas por um fluido em um meio poroso, investigamos a influÃncia da geometria e dos efeitos inerciais sobre a eficiÃncia de captura de uma matriz sÃlida. No caso de um arranjo periÃdico de cilindros e sob a aÃÃo da gravidade, nossos resultados revelam que $delta sim St$, onde $delta$ à a eficiÃncia de captura de partÃcula, e $St$ à o nÃmero de Stokes. Na ausÃncia de gravidade, observamos uma tÃpica transiÃÃo de segunda ordem entre a captura e a nÃo-captura de partÃculas, que pode ser expressa como $delta sim(St-St_{c})^{alpha}$, com um expoente $alpha approx 0.5$, onde $St_{c}$ à o nÃmero de Stokes crÃtico. TambÃm realizamos simulaÃÃes para o escoamento atravÃs de um meio poroso aleatÃrio e confirmamos que este comportamento para a captura de partÃculas à consistente com o modelo periÃdico simples. AlÃm disso, abordamos outro aspecto do processo de transporte de fluido e massa atravÃs de sistemas irregulares, nomeadamente o transporte e captura de partÃculas arrastadas por um escoamento hidrodinÃmico no interior de uma estrutura arborescente. Uma vez caracterizado o escoamento nestas estruturas complexas, passamos efetivamente à abordagem do processo de transporte de partÃculas com massa arrastadas por um fluido, integrando-se numericamente a equaÃÃo do movimento para cada partÃcula. O objetivo deste estudo à compreender, principalmente, a dinÃmica de captura de partÃculas e poluentes no interior das vias respiratÃrias. No entanto, a aproximaÃÃo realizada foi mais abrangente. Examinamos a influÃncia que certos parÃmetros fÃsicos e geomÃtricos, tais como os fatores de homotesia, os Ãngulos de ramificaÃÃo e o nÃmero de Reynolds, exercem sobre o processo citado. Esta abordagem nos permitiu pÃr em destaque uma universalidade notÃvel das leis de captura nas estruturas ramificadas. / This work is dedicated to the study of the transport process of fluid flow and mass through irregular systems. In the first part of this thesis, we approach the transport of fluids in self-affine fractured channels. Essentially, the important aspects to the comprehension of the fluid flow in an irregular geometry are the {it structural} one, associated to the topological and morphologic conformation of the fractured media, and the {it phenomenological} one, that refers to the transport mechanisms. Therefore, initially we describe the topology and the morphology of the fracture network. We consider that the geometry of the interfaces that constitutes the channel has statistical properties that are invariant under anisotropic transformations of scale, i.e. they possess long-range correlations in space and, than, can be characterized as self-affine fractals surfaces. We show that the irregular character of this geometry adds a degree of complexity to the problem of the fluid flow that substantially affects the statistical properties of the velocity and pressure fields. As a complement of this study, we investigate the process of the particle transport with mass dragged by a fluid that flows into the rough structures previously mentioned. We investigate how the roughness influences the nature of the transport of particles by studying the behavior of their average transit time, as a function of parameters like the Stokes number and the coefficient of restitution. We show that the particle transport in ducts with self-affine geometry displays a complex behavior that is characterized by the existence of four regimes and determined by the local competition between two mechanisms: the interaction between particle and structure (collisions) and between particle and fluid (flow). We investigate through numerical calculation of non-Brownian particles transported by a fluid in a porous medium, the influence of geometry and inertial effects on the capture efficiency of the solid matrix. In the case of a periodic array of cylinders and under the action of gravity, our results reveal that $delta sim St$, where $delta$ is the particle capture efficiency, and $St$ is the Stokes number. In the absence of gravity, we observe a typical second order transition between non-trapping and trapping of particles that can be expressed as $delta sim(St-St_{c})^{alpha}$, with an exponent $alpha approx 0.5$, where $St_{c}$ is the critical Stokes number. We also perform simulations for flow through a random porous structure and confirm that its capture behavior is consistent with the simple periodic model. Moreover, we inquire into another aspect of the transport process of fluid and mass through irregular systems, namely the transport and capture of particles dragged by a hydrodynamic flow into a ramified structure. After we solve the fluid flow through these complex structures, we pass effectively to the investigation of the transport process of massive particle dragged by a fluid, through numerical integration of the movement equation for each particle. The aim of this study is to understand, mainly, the dynamics of particle and pollutants capture into the airways. Nevertheless, the selected approach was broader. We examine the influence that certain physical and geometric parameters, such as the homothety factors, the bifurcation angles and the Reynolds number, exert on the mentioned process. This approach allowed us to clarify a remarkable universality of the laws of capture in the ramified structures.

Compostos orgânicos constituem uma classe interessante de materiais para aplicações em óptica por apresentarem boa processabilidade, relativa facilidade para integração em dispositivos e, principalmente, pela possibilidade de otimização de suas propriedades ópticas através da engenharia molecular. Várias estratégias têm sido empregadas para sintetizar moléculas orgânicas, que exibam singificativos efeitos ópticos não lineares. Nesta direção, nos últimos anos moléculas multi-ramificadas vêm sendo produzidas com o objetivo de intensificar efeitos não lineares, já que estas podem exibir um forte efeito cooperativo entre seus ramos. Nesta tese estudamos a relação da absorção de dois fótons (A2F) e da primeira hiperpolarizabilidade com a estrutura molecular, para um conjunto de nove derivados de trifenilamina com diferentes grupos aceitadores de elétrons arranjadas em geometrias dipolar, quadrupolar e octopolar. O processo A2F foi estudados através da técnica de Varredura-Z, enquanto que a primeira hiperpolarizabilidade foi caracterizada pela técnica de espelhamento hiper Rayleigh. Os dados experimentais para a absorção de dois fótons revelaram espectros bem definidos, com valores razoáveis de seção de choque na região do visível e infravermelho próximo. Observamos ainda um engrandecimento para a seção de choque de A2F para as moléculas quadrupolares. Os resultados obtidos para a primeira hiperpolarizabilidade (β) mostraram que moléculas quadrupolares apresentam maior β do que as dipolares e octopolares, portanto, nossos resultados permitem concluir que o acoplamento eletrônico entre os ramos contribuem fortemente para a seção de choque por A2F e β nas moléculas quadrupolares, não sendo este processo relevante nas moléculas octopolares. Todos os resultados foram interpretados por meio de estudos teóricos empregando a teoria do funcional da densidade (DFT). / Organic compounds constitute an interesting class of materials for optical applications due to their excellent processability, easy integration into devices and, mainly, the possibility of optimizing its optical properties through molecular engineering. Several strategies have been employed to synthesize organic molecules, which exhibit significant nonlinear optical effects. In this direction, in the last few years multi-branched molecules have been obtained aiming at intensifying nonlinear optical effects, since they may exhibit a strong cooperative effect among their branches. On this thesis we have studied the relationship of two-photon absorption (2PA) and first hyperpolarizability with the molecular structure of a group of nine triphenylamine derivatives attached to distinct electron acceptor groups arranged in dipole, quadrupole and octopolar geometries. The 2PA process was studied by Z-scan technique, while the first hyperpolarizability was characterized by the hyper-Rayleigh scattering technique. The experimental data for two-photon absorption revealed well-defined spectra with reasonable cross section magnitude in the visible and near infrared range. We also observed an enhancement of the 2PA cross-section for the quadrupolar molecules in comparison to the dipolar and octopolar ones. The results obtained for the first hyperpolarizability (β) shown that the quadrupolar molecules present higher β than the dipolar and octopolar, suggesting that the electronic coupling between the branches strongly contribute to the 2PA cross-section and β in quadrupolar molecules, being not relevant in the octopolar molecules. All results were interpreted through theoretical studies based on the density functional theory (DFT).

Compostos orgânicos constituem uma classe interessante de materiais para aplicações em óptica por apresentarem boa processabilidade, relativa facilidade para integração em dispositivos e, principalmente, pela possibilidade de otimização de suas propriedades ópticas através da engenharia molecular. Várias estratégias têm sido empregadas para sintetizar moléculas orgânicas, que exibam singificativos efeitos ópticos não lineares. Nesta direção, nos últimos anos moléculas multi-ramificadas vêm sendo produzidas com o objetivo de intensificar efeitos não lineares, já que estas podem exibir um forte efeito cooperativo entre seus ramos. Nesta tese estudamos a relação da absorção de dois fótons (A2F) e da primeira hiperpolarizabilidade com a estrutura molecular, para um conjunto de nove derivados de trifenilamina com diferentes grupos aceitadores de elétrons arranjadas em geometrias dipolar, quadrupolar e octopolar. O processo A2F foi estudados através da técnica de Varredura-Z, enquanto que a primeira hiperpolarizabilidade foi caracterizada pela técnica de espelhamento hiper Rayleigh. Os dados experimentais para a absorção de dois fótons revelaram espectros bem definidos, com valores razoáveis de seção de choque na região do visível e infravermelho próximo. Observamos ainda um engrandecimento para a seção de choque de A2F para as moléculas quadrupolares. Os resultados obtidos para a primeira hiperpolarizabilidade (β) mostraram que moléculas quadrupolares apresentam maior β do que as dipolares e octopolares, portanto, nossos resultados permitem concluir que o acoplamento eletrônico entre os ramos contribuem fortemente para a seção de choque por A2F e β nas moléculas quadrupolares, não sendo este processo relevante nas moléculas octopolares. Todos os resultados foram interpretados por meio de estudos teóricos empregando a teoria do funcional da densidade (DFT). / Organic compounds constitute an interesting class of materials for optical applications due to their excellent processability, easy integration into devices and, mainly, the possibility of optimizing its optical properties through molecular engineering. Several strategies have been employed to synthesize organic molecules, which exhibit significant nonlinear optical effects. In this direction, in the last few years multi-branched molecules have been obtained aiming at intensifying nonlinear optical effects, since they may exhibit a strong cooperative effect among their branches. On this thesis we have studied the relationship of two-photon absorption (2PA) and first hyperpolarizability with the molecular structure of a group of nine triphenylamine derivatives attached to distinct electron acceptor groups arranged in dipole, quadrupole and octopolar geometries. The 2PA process was studied by Z-scan technique, while the first hyperpolarizability was characterized by the hyper-Rayleigh scattering technique. The experimental data for two-photon absorption revealed well-defined spectra with reasonable cross section magnitude in the visible and near infrared range. We also observed an enhancement of the 2PA cross-section for the quadrupolar molecules in comparison to the dipolar and octopolar ones. The results obtained for the first hyperpolarizability (β) shown that the quadrupolar molecules present higher β than the dipolar and octopolar, suggesting that the electronic coupling between the branches strongly contribute to the 2PA cross-section and β in quadrupolar molecules, being not relevant in the octopolar molecules. All results were interpreted through theoretical studies based on the density functional theory (DFT).