Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A manipulação e o controle das propriedades magnéticas de materiais com pequenas dimensões tem atraído interesse crescente nos últimos anos. Para sistemas magnéticos micrométricos ou submicrométricos, diferentes configurações magnéticas são energeticamente acessíveis. Vórtices magnéticos merecem destaque entre essas configurações e figuram em um grande número de pesquisas tecnológicas que vão desde o armazenamento magnético (VMRAM) até a biofuncionalização de estruturas para o tratamento do câncer. Em uma configuração de vórtice magnético, a energia magnetostática é minimizada por uma configuração de caminho fechado no plano do filme e uma região central com magnetização perpendicular à superfície. A quiralidade (sentido de rotação da magnetização no plano) e a polarização (direção da magnetização na região central) são os dois principais parâmetros que caracterizam um vórtice magnético. Apesar do esforço recente, ainda não se alcançou um entendimento detalhado que permita a manipulação controlada dessas características. Um aspecto importante para a aplicação tecnológica das estruturas de vórtice magnético é a uniformidade e a reprodutibilidade do comportamento de inversão de magnetização da partícula. O tamanho do núcleo do vórtice e o valor da magnetização, fatores que dependem fortemente da anisotropia do sistema, são aspectos relevantes a serem considerados para que as aplicações destas estruturas magnéticas se tornem realidade. Neste trabalho, arranjos regulares de discos multicamadas Co/Pt com diâmetro de 1 e 2 μm e pemalloy com diâmetro na faixa de 5 a 17 μm, ambos com espessura nanométrica, foram investigados por Microscopia de força magnética (MFM) e magnetometria (VSM e PPMS). Um dos objetivos foi investigar a correlação entre a anisotropia magnética nas multicamadas e o tamanho do núcleo do vórtice magnético. Os resultados obtidos demonstraram a presença de estados de vórtice magnético em algumas das amostras estudadas, em função do diâmetro do disco. Além disso, foram estudadas propriedades magnéticas da configuração de vórtices magnéticos desde a nucleação à aniquilação e efeitos de variação de dimensões de disco (diâmetro e espessura) e anisotropia magnética (multicamadas Co/Pt). / The manipulation and control of magnetic properties in size reduced materials have attracted a great interest in the last years. For micrometric or submicron magnetic structures different magnetic configurations are energetically accessible. Magnetic vortex noteworthy belongs to those configurations, and often represents the lowest energy configuration. Nowadays, it appears in a number of technological research ranging from the magnetic storage (VRAM) to the biofunctionalized microdisks for cancer treatment. In a magnetic vortex configuration, magnetostatic energy is minimized by in-plane closed flux domain structure and this curling magnetization turns out of the plane at the centre of the vortex structure. The chirality (direction of rotation of the in-plane magnetization) and polarization (up or down direction of the vortex core) are two topological features that characterize a magnetic vortex. In spite of the great effort on this matter, a controlled manipulation of magnetic vortex features was not reached. A critical aspect for the technological application of magnetic vortex structures is the uniformity and reproducibility of the reversal behavior of the particle magnetization. The vortex core size and the related value of its overall magnetization are also very relevant for the use of such magnetic structures. It is usually considered that the size of the vortex core depends on parameters such as anisotropy, thickness and diameter of the magnetic disk. In this work, regular arrays of Co/Pt multilayers disks with diameter of 1 and 2 μm and pemalloy disks with diameter in the range 5 -17 μm, both nanometer-thick, were investigated by Magnetic Force Microscopy (MFM) and magnetization measurements (VSM and PPMS). The results show the existence of magnetic vortex states for the samples, depending on the disk diameter. Furthermore, it was investigated the magnetic properties of the magnetic vortex, since the nucleation to annihilation, and the effect of variation of disk dimensions (diameter and thickness) and magnetic anisotropy (Co/Pt multilayers).

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-07-04T18:17:13Z No. of bitstreams: 1 Estéfani M Pereira (Mestrado).pdf: 29753105 bytes, checksum: 975117286ae941fc4c80d8fb96a32de5 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-04T18:17:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Estéfani M Pereira (Mestrado).pdf: 29753105 bytes, checksum: 975117286ae941fc4c80d8fb96a32de5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Dois fenômenos de natureza antagônica juntos em um sistema híbrido podem apresentar propriedades muito diferentes, e um exemplo é o sistema híbrido de supercondutividade e ferromagnetismo, onde diversos novos fenômenos podem ser observados, como vórtices espontâneos. Aqui, dois sistemas híbridos supercondutor-ferromagneto foram estudados: Um consistindo de uma camada de Nb(200 nm) entre duas camadas de nanopartículas ferromagnéticas de Ni( ∼5 nm), preparadas por ablação a laser, com os gases Ar e O2 para produção das nanopartículas; O outro consiste de uma primeira camada feita de nanodiscos ferromagnéticos de Py( ∼1 m) desenvolvidos com litografia por feixe de elétrons, com uma disposição de rede quadrada com determinadas distâncias entre nanodiscos adjacentes, cobertos por uma segunda camada de Al2O3, ambos depositados por pulverização catódica, e por fim uma terceira camada supercondutora de Nb(200 nm) preparada por ablação a laser. As nanopartículas de Ni no primeiro sistema estão em contato direto com a camada de Nb e como resultado, o efeito de proximidade está presente no sistema. Diferentemente, os nanodiscos de Py no segundo sistema estão eletricamente isolados da camada de Nb, que pode eliminar o efeito de proximidade, assim a interação entre nanodiscos magnéticos e o Nb supercondutor ocorre somente através dos campos magnéticos remanescentes dos nanodiscos de Ni. A microestrutura estudada mostra que as nanopartículas feitas em gás Ar e O2 possuem formatos muito diferentes: uma (preparada em Ar) é cubica e a outra (preparada em O2) é esférica. Os diferentes formatos das nanopartículas de Ni apresentam influência muito diferente sobre as propriedades supercondutoras da camada de Nb: a amostra com nanopartículas de Ni(Ar) não apresenta uma transição de vortex vidro e a amostra com nanopartículas de Ni(O2) mostra um estado de vortex vidro bem claro sem qualquer campo magnético externo aplicado, indicado pelas medidas V(I). No segundo sistema, as medidas de transporte indicam a formação de clusters de vórtices na camada supercondutora sobre os nanodiscos magnéticos devido aos momentos magnéticos deles, e os vórtices induzidos por um único nanodisco podem formar uma fase de vortex vidro. A dimensão do espaçamento entre discos desempenha também um papel muito importante. A amostra com uma distância muito grande entre nanodiscos não mostrou uma curva V(I) com formato ’S’ mas possui uma fase vortex vidro; quando diminui a distância entre discos, as curvas V(I) próximas à temperatura de transição vortex vidro deformaram para um formato ’S’, indicando que os vórtices induzidos pelos diferentes nanodiscos estão interagindo uns com os outros quando as distâncias entre discos são menores do que um valor crítico. / Two phenomena with antagonistic nature together in a hybrid system can have very different properties and one of the samples is the hybrid of superconductivity and ferromagnetism in which many new phenomena can be observed, such as spontaneous vortices. Here two superconducting-ferromagnetic hybrid systems have been studied: one consists of a Nb layer(200 nm) between two layers of ferromagnetic Ni nanoparticles( ∼5 nm), which is prepared by pulsed laser deposition(PLD) with Ar and O2 for the production of Ni nanoparticles; the other consists of a first layer made of ferromagnetic permalloy (Py) nanodisks( ∼1 m)developed by e-beam lithography, with the arrangement of square lattice with certain distances between two adjacent nanodisks, covered by a second layer of Al2O3, both deposited by magnetron sputtering, and finally a third layer of superconducting Nb(200 nm) prepared by PLD. The Ni nanoparticles in the first system are in direct contact with the Nb layer and as a result, the proximity effect in the system is presented. In contrast, the Py nanodisks in the second system are electrically insulated from the Nb layer which can eliminate the proximity effect, thus the interaction between the magnetic nanodisks and superconducting Nb is through the magnetic stray fields of Ni nanodisks only. The microstructure study shows that the nanoparticles made in Ar and O2 gases have very different shapes: one (prepare in Ar) is cubic and the other (prepared in O2) is spherical. The different shapes of the Ni nanoparticles have very different influence on the superconducting properties of the Nb layer: the sample with Ni (Ar) nanoparticles does not show a vortex glass transition and the sample with Ni (O2) nanoparticles shows a very clear votex glass state without any external magnetic field applied, indicated by the V(I) measurements. In the second studied system, the transport measurements indicate the formation of vortex clusters in the superconducting layer on the top of the magnetic nanodisks due to the magnetic moments of them and the vortices induced by a single nanodisk may form a vortex glass phase. The spacing dimension between the disks plays a very important role as well. The sample with very large distance between the nanodisks does not show an ’S’ shape V(I) curve but has a vortex glass phase; when decrease the distance between the disks, the V(I) curves near the vortex glass transition temperature deformed to a ’S’ shape, indicating that the vortices induced by different nanodisks are interacting with each other when the distance between the disks are smaller then an critical value.

[pt] Neste trabalho estudamos o comportamento dinâmico de um gás granular a baixa densidade do ponto de vista hidrodinâmico. Fizemos também uma análise de instabilidade linear das equações de Navier-Stockes para tais sistemas. Finalmente, construímos um modelo de sistema de celulas dinâmicas para simular computacionalmente esses sistema e o aplicamos a um gás granular, a fim de entender um pouco mais sobre seus comportamentos dinâmicos, sob diversas condições de contornos externos. / [en] In this work we study the dynamic behavior of a granular gas at low density from the hydrodynamic point of view. We also perform a linear instability analysis of the Navier- Stockes for such systems. Finally we construct a cell dynamic systems model to simulate computationally these systems and apply it for a granular gas in order to understand a little more about its dynamic behavior, under several boundary conditions.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseALOF.pdf: 1727082 bytes, checksum: 2bafd71518dd7f0aa291c11a17ad0841 (MD5) Previous issue date: 2004-02-11 / Universidade Federal de Minas Gerais / Enzymatic route to produce antibiotic acts in mild reaction conditions (aqueous medium, neutral pH and moderate temperatures). Furthermore it reduces the number of reaction steps and decreases the amount and toxicity of waste products per kilogram of antibiotic. The enzymatic synthesis of ampicillin from phenylglycine methyl ester (PGME) and 6-aminopenicillanic acid (6-APA) can be an attractive alternative, replacing the chemical route. The use of an immobilized enzyme to catalyze the synthesis is very important to reduce costs. Penicillin G acylase (PGA) [EC 3.5.1.11] from E. coli was immobilized on two supports (agarose gel and silica). This work undertakes an optimization study of the enzymatic synthesis of ampicillin, to find out optimized process conditions. Therefore, it was studied the influence of the following variables: pH, temperature, 6-APA initial concentration, buffer concentration and the presence of methanol. Response variables were productivity, selectivity and yield (based on 6- APA initial concentration). The assays were carried on accordind to factorial design 25. Temperature, pH, and 6-APA initial concentration influenced At synthesis of ampicillin from PGME and 6-APA, two other reactions compete with the synthesis reaction: hydrolysis of PGME (a parallel reaction) and hydrolysis of ampicillin (in series with the synthesis). The yield of the synthesis of ampicillin depend on the rates of three different reactions. The highest yield was achieved at 4ºC, pH 6.5, without methanol, and with low buffer concentration. The results also indicate that it is possible to work with this system at high productivities, and it still keeps high yields at 25ºC, without buffer, and pH 6.5. After the selection of reaction conditions (25ºC, pH 6.5), assays with PGA immobilized on silica carrier were realized. Convensional reactors may cause shearing on derivative enzyme-silica, which led using fixed-bed reactor. Mass transport parameters were estimated by fitting heterogeneous mathematical model to experimental data of catalytic bed with recirculation, running on transient state. Another used support on immobilized enzyme was agarose gel. Domain of experimental assays used in the neural network training and validation were initial substrate concentrations ranged from 50 to 250mM. A mechanistic model to represent the synthesis of ampicillin from PGME and 6-APA is a set of seriesparallel reactions (ampicillin and PGME hydrolysis are undesirable side reactions) would be too complex, with an intractable number of kinetic parameters. Simplified models could not represent all the experimental data, and a hybrid model was used. Neural networks were trained to predict reaction rates and used in the mass balance equations. A feedforward neural network, with one hidden layer was used. Results of the simulation were promising. The operational region that of high productivity and selectivity of antibiotic could be successfully mapped. An important aspect to improve the selectivity of ampicillin synthesis is to precipitate the antibiotic because the hydrolysis reaction would be decreasing. An approprieted biocatalyst which preventing the precipitation was developed, and used in a Taylor vortex reactor where shears are smaller. Synthesis assays using high substrate concentrations were performed in this reactor, occurring precipitate of antibiotic during reaction, to improve yield, selectivity, and productivity of this system. / A rota enzimática para produção de antibióticos atua em condições suaves de temperatura, pressão e pH, em meio aquoso, além de ter bem menor impacto ambiental. A síntese enzimática de ampicilina a partir de éster metílico de fenilglicina (EMFG) e ácido 6-aminopenicilânico (6-APA) foi estudada como alternativa à rota de produção química. O uso de enzimas imobilizadas é comum na literatura devido aos benefícios que estas apresentam em relação às enzimas solúveis: separação do meio reacional e reutilização do biocatalisador. A enzima penicilina G acilase [EC 3.5.1.11] foi imobilizada em dois diferentes suportes (sílica e agarose). O primeiro passo estudado para produção do antibiótico foi a determinação das condições ótimas de operação. Assim, estudouse a influência das seguintes variáveis: pH, temperatura, concentração inicial de 6- APA, concentração iônica do meio reacional e presença de solvente orgânico (metanol). As variáveis-resposta utilizadas foram produtividade, seletividade e rendimento. Os ensaios foram conduzidos segundo um planejamento fatorial 25. As variáveis que mais influenciaram nas respostas foram: temperatura, pH e concentração inicial de 6-APA. O uso de EMFG para acilação do núcleo β- lactâmico, 6-APA, resulta num sistema reativo série-paralelo, cujas reações indesejadas de hidrólise (do EMFG e do antibiótico) ocorrem simultaneamente à de formação do antibiótico. Assim, a concentração máxima atingida de antibiótico depende das velocidades relativas das três reações. Observou-se que o maior rendimento de síntese foi obtido na temperatura de 4ºC, pH 6,5, sem adição de solvente orgânico e em meio reacional de baixa concentração iônica. Os resultados também mostraram que é possível operar o sistema com alta produtividade, e ainda se manterem os rendimento elevados a 25ºC, concentração mais elevada de reagentes, ausência de tampão fosfato e pH 6,5. Após a seleção das condições reacionais (25ºC, pH 6,5), ensaios, utilizando-se a PGA imobilizada em sílica, foram realizados. O derivado enzima-sílica sofre desgaste por cisalhamento em reator convencional, o que levou à utilização de reator de leito fixo. Parâmetros de resistência à transferência de massa externa e interna no suporte sobre a velocidade global de reação foram estimados a partir de dados experimentais, com auxílio de modelo matemático heterogêneo do leito catalítico com recirculação total, operando em regime transiente. O outro suporte empregado na imobilização de PGA foi agarose intercruzada, que tem maior resistência ao cisalhamento. Experimentos de síntese com concentrações iniciais de reagentes variando de 50 a 250mM, utilizando-se o derivado enzima-agarose, formaram o domínio para treinamento de redes neurais que pudessem prever as velocidades de reação, pois um modelo mecanístico das três reações, levando em conta efeitos inibitórios e alostéricos de reagentes e/ou produtos, mostrou-se muito complexo, com número intratável de parâmetros cinéticos. Simplificações desse modelo, diminuindo-se o número de parâmetros ajustáveis, não conseguiram representar os dados experimentais em toda a faixa de interesse. Conjuntos de dados para treinamento supervisionado foram alimentados a redes feedforward com uma camada oculta. Essa abordagem permitiu uma boa representação da síntese de ampicilina na faixa operacional estudada e também direcionou os ensaios para região onde se maximizassem produtividade e seletividade. As velocidades de reação previstas pelas redes neurais foram incluídas nas equações fundamentais de balanço de massa, compondo um modelo híbrido do processo. As simulações com o modelo híbridoneural direcionaram os ensaios de síntese para região onde se maximizaram a produtividade e seletividade da reação. Observou-se que aspecto importante para a melhoria da seletividade na produção de ampicilina era a operação do reator em uma região onde ocorria precipitação do antibiótico, pois quando este cristalizava no próprio reator, diminuía-se sua perda por hidrólise. Um biocatalisador adequado, que suportasse a precipitação da ampicilina no meio reacional, foi desenvolvido, patenteado e utilizado em reator de escoamento em vórtices de Taylor, onde as tensões de cisalhamento são menores. Sínteses utilizando concentrações altas de reagentes foram realizadas nesse reator, de modo a precipitar o antibiótico, incrementando-se rendimento, seletividade e produtividade do sistema.

[pt] Neste trabalho estudamos o comportamento dinâmico de um gás granular a baixa densidade do ponto de vista hidrodinâmico. Fazemos também uma análise de instabilidade linear das equações de Navier-Stockes para tais sistemas. Finalmente, construímos um modelo de sistema de Células Dinâmicas para simular computacionalmente esses sistemas e o aplicamos a um gás granular, a fim de entender um pouco mais sobre seus comportamentos dinâmicos, inclusive a formação de aglomerados, sob as mais variadas condições de contorno. / [en] In this work we study the dynamic behavior of a granular gas at low density from the hydrodynamic point of view. We also perform a linear instability analysis of the Navier- Stockesfor for such systems. Finally, we construct a cell dynamic systems model to simulate computationally these systems and apply it for a granular gas in order to understand a little more about its dynamic behavior, enclose formation of clusters, under several boundary conditions.