Universidade Federal do Rio de Janeiro
Mestrado Interdisciplinar em Física Aplicada


ÁREAS DE CONCENTRAÇÃO / LINHAS DE PESQUISA

 Área de concentração 1: Física Médica e Biológica

Seguindo uma tendência global, as áreas de física médica e biológica foram criadas para atender à crescente demanda por profissionais capacitados para resolver novos problemas de medicina, biologia e engenharia biomédica, entre outras possíveis áreas de atuação, que, nas suas muitas interfaces, são fortemente interligadas, exigindo uma formação tão diferenciada que profissionais com formação tradicional e focada em cada uma das áreas citadas não estão mais preparados para resolver. A interdisciplinaridade exige que profissionais estejam aptos a aplicar conceitos, leis, modelos e metodologias da física em problemas desafiadores nas áreas de medicina e biologia, com foco no desenvolvimento de pesquisas aplicadas aos sistemas vivos.

Muitos sistemas vivos são constituídos por células que são as unidades que carregam as características físicas e químicas que dão origem às propriedades dos organismos que os compõem (Alberts, 2002). Embora, para um determinado organismo, cada tipo celular contenha uma cópia do seu genoma, apenas parte dele é expresso, o que faz com que exista uma enorme variedade de tipos celulares. Cada célula interage com outras células e com o ambiente no qual vive por meio de sua membrana plasmática. Na membrana estão alojadas proteínas que são responsáveis pelo contato e reconhecimento das condições em que a célula vive. As informações químicas e físicas, recebidas na membrana, são transmitidas à célula através de cascatas de reações químicas, que determinam a sua resposta a determinado estímulo.

A maneira pela qual estas células se diferenciam e se organizam é resultado de combinação de fatores genéticos e mecanismos complexos de auto-organização emergentes que ainda são pouco entendidos. Nos anos recentes o aprimoramento de diversas técnicas de medição, muitas delas com origem na física experimental, produziram medidas experimentais morfológicas com escopo e precisão sem precedentes.

Referência:

– B. Alberts, “Molecular biology of the cell”, (Garland Science, New York, 2002), pp. xxxiv.

Linha de pesquisa 1.1: Métodos experimentais em física aplicados à biologia e à medicina

Quando uma célula reage a um estímulo, participam, coordenadamente, várias proteínas, organelas e estruturas celulares. Uma dessas estruturas é o citoesqueleto. Ele é composto por proteínas que, ao se polimerizarem, geram filamentos que dão rigidez e estabilidade mecânica à célula. Uma importante proteína constituinte do citoesqueleto é a actina. Na célula, filamentos de actina são interligados por meio de outras proteínas (Mejillano et al, 2004) formando uma rede complexa, com propriedades físicas semelhantes às de um material vítreo mole (do inglês “soft glassy material”) (Trepat et al, 2007). Chamamos essa rede de citoesqueleto de actina. O citoesqueleto de actina está em contato com a membrana plasmática e ações mecânicas na célula, que produzam, por exemplo, deformações na mesma, estão intimamente relacionadas com ele. Em cada batida de coração, nos movimentos peristálticos do intestino, quando o pulmão infla, enchendo-se de ar, diferentes tecidos são submetidos a estiramentos e deformações, que em grande parte são devidos a ações sobre o citoesqueleto de actina de suas células (Ibid). Além disso, deformações na rede de actina da célula são também responsáveis por produzir estímulos mecânicos que estão envolvidos, por exemplo, no crescimento, na diferenciação e na migração celular.

Ainda não são bem compreendidos os mecanismos pelos quais a célula percebe estímulos físicos ou químicos do ambiente e responde, atuando sobre seu citoesqueleto, de acordo com a função à qual ela foi programada a realizar. Buscamos entender como as propriedades mecânicas do complexo membrana-citoesqueleto estão relacionadas com as funções desempenhadas pelas células.

Ferramentas de micromanipulação como pinças óticas e microscopia de força atômica, técnicas de microscopia como contraste de fase, confocal, microscopia eletrônica de varredura e transmissão são utilizadas para caracterização da morfologia e de propriedades físicas da célula e do citoesqueleto em diversas situações. Tensão superficial e rigidez de flexão da membrana da célula, bem como módulos elástico e de dissipação do citoesqueleto (parâmetros reológicos) são usados como sondas na investigação das propriedades desses materiais quando sujeitos a ação de diferentes drogas ou quando originadas de células vindas de diferentes tecidos. Um melhor entendimento dos mecanismos que levam a célula a reconhecer estímulos físicos e traduzi-los em respostas biológicas pode levar ao desenvolvimento de metodologias capazes de influenciar muito o conhecimento em Biologia e aplicações em áreas de Biomedicina.

Um aspecto importante relacionado com a pesquisa biomédica envolve o uso de radiações eletromagnéticas de diferentes naturezas e técnicas experimentais relacionadas para estudar a fisiologia, morfologia e bioquímica dos sistemas biológicos. O diagnóstico de doenças e o desenvolvimento de técnicas terapêuticas são alvos perseguidos como aplicações.

Todas as modalidades de radiação ionizante produzem algum tipo de dano ao DNA, como alterações estruturais das bases nitrogenadas ou rompimento das pontes de hidrogênio entre duas hélices, entre outros. Além dos danos ao DNA, a radiação ionizante pode também ocasionar modificações nas estruturas conformacionais de proteínas.

Um grande número de tecnologias atuais utiliza a radiação X como instrumento para um maior conhecimento de detalhes sobre a matéria e suas composições estruturais, destacando-se a medicina e a pesquisa de sistemas físicos baseada em espectros de emissão atômica, com aplicações em áreas tão distintas quanto Física Atômica e Molecular, Medicina, Astrofísica e Biologia (Theodorakou, 2008).

Grande esforço vem sendo feito por cientistas para desenvolver técnicas não destrutivas para investigar a estrutura interna de amostras. Na última década, o interesse científico nesta área aumentou significativamente. Os estudos têm como interesse principal medir concentrações de elementos traço ou perfis de espalhamento objetivando estudar o desenvolvimento de certas doenças que são inacessíveis por métodos convencionais ou com resultados contestáveis.

Referências:

– M.R. Mejillano et al., Cell 118 (2004) 363.

– X. Trepat et al., Nature 447 (2007) 592.

– Theodorakou, C; Farquharson, MJ, 2008. Human soft tissue analysis using x-ray or gamma-ray techniques. Phys. Med. Biol. 53 (11), R111-R149.

Linha de pesquisa 1.2: Métodos de física teórica aplicados à neurociência

Atualmente, a pesquisa em neurociência passa por uma revolução quantitativa. Diversas técnicas, aprimoradas e novas, estão sendo usadas para quantificar com precisão e detalhe sem precedentes as propriedades e composição do sistema nervoso em seus vários níveis. Exemplos notáveis incluem a contagem precisa do número de neurônios e células gliais em cada estrutura cerebral com o fracionador isotrópico (Herculano-Houzel et al), o mapeamento da conectividade funcional por meio da ressonância magnética de difusão,e projetos multidisciplinares em curso para mapearem em detalhes as conexões entre os neurônios de colunas corticais (Van Essen et al ).

Historicamente, não havia nas tradicionalmente descritivas ciências biológicas uma grande demanda por teorias sintéticas, modelos matemáticos e simulações. Assim, o surgimento desta neurociência de precisão não está sendo acompanhado na mesma medida por um maior entendimento teórico. Esta é uma oportunidade, portanto, para aplicar algumas das técnicas e métodos desenvolvidos pela física teórica e áreas correlatas para estender significativamente as fronteiras da biologia de uma forma intrinsecamente interdisciplinar.

Referências:

– Herculano-Houzel S, Lent R (2005) Isotropic fractionator: a simple, rapid method for the quantification of total cell and neuron numbers in the brain. J Neurosci 25: 2518-2521.

– Van Essen, DC et al. The Human Connectome Project: A data acquisition perspective NeuroImage doi:10.1016/j.neuroimage.2012.02.018

Área de concentração 2: Ciência dos Materiais e Instrumentação.

A ciência dos materiais está centrada em, ou tem como objetivo básico, acompanhar a corrida para a inovação tecnológica. No domínio do magnetismo, um dos eixos mais importantes de desenvolvimento tecnológico é o da spintrônica. Um outro domínio muito importante é uso de nanopartículas magnéticas para aplicações em biologia e medicina. No domínio dos semicondutores, entre os eixos mais importantes estão os detectores infravermelhos e as células solares. A instrumentação deve ser considerada em conexão estreita com o desenvolvimento de novos materiais e dispositivos associados. Isso é porque o desenvolvimento de novos materiais requer novos sistemas de elaboração e uma instrumentação associada com cada vez maior sofisticação para a análise de suas propriedades físicas.

Os dispositivos semicondutores estão em contínua renovação. Os detetores de infravermelho a serem desenvolvidos nesta área de concentração serão utilizados em diferentes aplicações civis tais como imageamento termal, detecção de gases como CO2 e H2S e de proteínas dissolvidas em água, além de aplicações militares. A pesquisa com células solares ocorre em linhas de pesquisa distintas. São elas: i) inclusão de pontos quânticos para formar uma banda intermediária; ii) desenvolvimento de células solares de múltipla junção; iii) desenvolvimento de nanofios para utilização em células solares. Estas diferentes linhas de pesquisa em células solares visam o aumento da eficiência do dispositivo para aplicação doméstica (baixo custo) ou aeroespacial (alta eficiência).

A spintrônica se baseia na dependência da corrente não apenas na carga do elétron mas também no seu spin. Os fenômenos da spintrônica são observados em sistemas normalmente constituídos de multicamadas de filmes finos de materiais magnéticos alternados por metais ou isolantes. A pesquisa em nanomateriais magnéticos se insere no contexto da procura por novos materiais para inserção em dispositivos spintrônicos. A otimização desses sistemas visa maximizar a diferença de resistividade quando a corrente atravessa o dispositivo com diferentes orientações com relação ao campo magnético aplicado . Quanto maior é essa variação (dR/R%) melhor é o dispositivo para aplicação. Os efeitos da spintrônica são atualmente utilizados para a realização de sensores de campo magnético ultra sensíveis e de dimensões nanométricas. A aplicação mais importante desses sistemas é na leitura/gravação dos discos rígidos dos computadores. Muita pesquisa está sendo realizada no desenvolvimento de memórias aleatórias magnéticas, as MRAM (magnetic random acces memory). Outras pesquisas estão sendo realizadas com o intuito de integrar os elementos de memoria dita de tipo TMR (Tunnel MagnetoResistance) em estruturas CMOS (complementary metal oxyde semiconductor) para registrar os resultados das operações realizadas pelos transistores. A possibilidade de guardar a memória das operações elementares o mais próximo possível do lugar de sua realização poderá levar a uma revolução nos novos computadores.

As aplicações de nanopartículas magnéticas se tornam muito importante para diversas aplicações em medicina e em biologia: agente de contrastes em MRI, vetores de transportes de medicamento ou de espécies biológicas, hipertermia.

Em qualquer ramo da ciência a instrumentação científica é um dos pilares para a investigação experimental. Hoje em dia, a maioria dos resultados experimentais e processos tecnológicos são obtidos com o auxílio de instrumentos que permitem quantificar, direta ou indiretamente, as propriedades observadas. É a contínua evolução tecnológica aplicada ao desenvolvimento de novos instrumentos e métodos de medidas que pode auxiliar na descoberta ou explicação de novos fenômenos. Assim, verifica-se a importância da formação de recursos humanos voltada ao desenvolvimento de novos métodos e equipamentos. Esta formação permitirá, inclusive, a aplicação dos conhecimentos gerados em processos de inovação tecnológica onde a contribuição de nosso país ainda é bastante incipiente.

Assim, a instrumentação científica tem como foco a capacitação de recursos humanos de alunos das áreas de física, engenharia e química e indiretamente os demais ramos da ciência, de modo a provê-los de conhecimentos necessários para gerar novos processos e novos instrumentos científicos para aplicação a uma demanda experimental.

Referências

– Quantum dot structures grown on Al containing quaternary material for infrared photodetection beyong 10 microns P. L. Souza, A. J. Lopes, T, Gebhard, K. Unterrainer, M. P. Pires, J. M. Vilas-Boas, P. S. S. Guimarães, G. S. Vieira, N. Studart, Applied Physics Letters 90, 173510 (2008).

– Nanomagnetism and Spintronics (2009) Elsevier. Edited by Teruya Shinjo_2233.

– Handbook of Magnetic Measurements, S Tumanski, a Taylor and Francis book.

– Microlithography, Micromachining and Microfabrication, P. Rai-Choudhury, IEE Material and Devices Series 12.

Linha de pesquisa 2.1: Nanodispositivos e nanomateriais

Nos dispositivos semicondutores o objetivo é o de aumentar a eficiência de células solares produzidas com a inclusão de nanoestruturas, chamadas de Células Solares de Banda Intermediária. Pretendemos também aumentar a temperatura de funcionamento de fotodetectores de infravermelho utilizando pontos quânticos (QDIPs) e/ou poços quânticos (QWIPs).Nestas pesquisas contamos com o interesse de alguns órgãos do governo tais como o CTEx (Centro Tecnológico do Exército), CTA (Centro Técnico Aeroespacial) e a AEB (Agencia Espacial Brasileira). Já desenvolvemos inclusive detectores para utilização em equipamentos testados por estes órgãos.

O trabalho envolve conhecimentos relacionados com a engenharia de matériais no que concerne da elaboração dos materiais e dos dispositivos . As amostras são crescidas por duas técnicas: MOVPE (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy) ou MBE (Molecular Beam Epitaxy). Podem ser produzidos semicondutores do tipo III-V, ou seja, GaAs, InP, InAs, AlGaAs, InGaAs, InAlAs, entre outros. Uma vez produzido o material ele será caracterizado através de diversas técnicas tais como raios-x, fotoluminescência, absorção, efeito hall e capacitância vs. voltagem. Estas medidas nos fornecerão diferentes informações tais como tensão estrutural, energias do gap, densidade de estados eletrônicos, densidade e tipo de portadores e o perfil dos dopants. Para se obter o dispositivo é necessário processar o material, ou seja, transformar o cristal em um dispositivo com contatos, janelas óticas, ou outras estruturas necessárias para que o dispositivo funcione. Neste processo são utilizados equipamentos como alinhadoras de máscaras, laser writer, litografia por feixe de elétron e metalizadoras. Finalmente com o dispositivo processado é necessário testá-lo, para isto dispomos de diversos equipamentos, tais como: FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), simulador solar e analisadores de parâmetros elétricos.

No caso dos dispositos spintrônicos os fenômenos abordados serão entre outros a magnetorresistência gigante, GMR, a magnetoresistência anisotrópica, AMR, a magnetoresistência de tunelamento, TMR e a magnetoresistência anisotrópica de tunelamento, TAMR. No caso da TAMR, que é onde concentramos nossa pesquisa, o efeito resulta do tunelamento através da camada isolante, da anisotropia Magnética e da interação Spin-orbita. O dispositivo nesse caso é constituído de apenas uma camada magnética de forte anisotropia e forte interação spin orbita sobre a qual é depositado uma camada isolante e uma camada condutora. O corrente túnel entre essa camada magnética e uma camada metálica não magnética, através da camada isolante depende da orientação da magnetização dentro da camada magnética. Espera-se que com esse dispositivo tenhamos efeitos significativamente mais importantes do que com os anteriores. Como no caso dos dispositivos semicondutores o trabalho envolve conhecimentos relacionados com a engenharia de materiais no que concerne da elaboração dos materiais e dos dispositivos.

Os estudos em nanomagnetismo se concentram nas nanopartículas magnéticas utilizadas em medicina e biologia. Estas são geralmente cobertas por moléculas biológicas possibilitando que as partículas interajam ou se liguem às células de interesse. Desta forma estas células podem ser acessadas, marcadas magneticamente, contadas, imobilizadas etc. Para imunoensaios, nanopartículas contendo os anticorpos da célula, vírus ou bactéria precisam ser detectadas na amostra de interesse. É possível aumentar a sensibilidade de detecção das nanopartículas ligadas às células de interesse por meio de um magnetômetro sensível, magnetometria de alta sensibilidade baseado em SQUIDs ou microssensores Hall ou ainda microssensores magnetorresistivos.

Referências:

– E. Towe e D. Pan, Semiconductor quantum-dot nanostructures: their application in a new class of infrared photodetectors, IEEE J. Selec Top. Quantum Electr. 6, 408 (2000).

– J. Klimstra and M. Hotakainen, Smart Power Generation, 3rd edition (Avain Publishers, Helsinki 2011).

– P. L. Souza, A. J. Lopes, T, Gebhard, K. Unterrainer, M. P. Pires, J. M. Vilas-Boas, P. S. S. Guimarães, G. S. Vieira, N. Studart, Quantum dot structures grown on Al containing quaternary material for infrared photodetection beyong 10 microns, Applied Physics Letters 90, 173510 (2008).

– V.M.T.S. Barthem et al. Nature Comm. DOI: 10.1038/ncomms3892 (2013)

– Nanomagnetism and Spintronics (2009) Elsevier. Edited by Teruya Shinjo_2233.

– Nanomagnetism and Spintronics: Fabrication, Materials, Characterization and Applications, by Farzard Nasirpuri, Alan Nogaret. World Scientific.

– Introduction to Spintronics, by Supriyo Bandyopadhyay , Marc Cahay, CRC Press.

Linha de pesquisa 2.2: Instrumentação em física de partículas carregadas a baixas e altas energias

Armadilhas para partículas carregadas são instrumentos extremamente versáteis e, em virtude disso, utilizados em áreas como física atômica e molecular, física dos plasmas, informação quântica e testes básicos de física. Para a implementação de uma armadilha de íons é necessário desenvolver instrumentos e métodos experimentais que permitam a manipulação e o diagnóstico das amostras aprisionadas, assim como o controle do procedimento experimental.

Aplicações da ótica de partículas carregadas envolve a manipulação de feixes de elétrons, pósitrons e íons. O objetivo é desenvolver ferramentas para “enxergar” o mundo microscópico, o que exige a compreensão dos fenômenos físicos, químicos e biológicos relevantes envolvidos na produção e transmissão de feixes de elétrons, pósitrons e íons, além do desenvolvimento de espectrômetros de massa rotineiramente utilizados como ferramentas analíticas em química e biologia, analisadores de velocidades, etc.

A tecnologia de feixes de partículas carregadas tem sido largamente empregada na indústria, onde equipamentos contendo feixes de elétrons ou íons são utilizados para limpeza de superfícies, soldagem e na preparação de semicondutores. Uma das principais vantagens das técnicas envolvendo partículas carregadas sobre as técnicas convencionais envolvendo fótons é a não limitação da resolução das imagens pelo comprimento de onda da luz utilizada. Partículas com elétrons e pósitrons de alta velocidade possuem comprimentos de onda muito menores do que a da luz, tornando assim possível o estudo de estruturas menores do que a escala atômica e constituindo uma ferramenta importante em diversas áreas do conhecimento e aplicações tecnológicas..

A física de partículas elementares ou de altas energias possui uma grande história de inovação tecnológica devido à necessidade de criar métodos para a solução de seus problemas, que são o estudo dos constituintes da matéria e suas interações fundamentais. De certo modo, os requerimentos necessários para realizar as medidas de interesse físico são sempre tão altos que o desenvolvimento dos instrumentos de medição e das técnicas de simulação e análise de dados se confundem com o próprio desenvolvimento científico na área. Os laboratórios de física de altas energias são localizados próximo aos grandes aceleradores de partículas, porém seu desenvolvimento é feito através de grandes colaborações distribuídas em diversos países. Podemos sempre mencionar que o protocolo www (World Wide Web) foi inicialmente criado no CERN (Organização Européia para Pesquisa Nuclear) para a troca de informações científicas.

Os mais diversos projetos em física de partículas possuem exigências instrumentais altíssimas o que leva ao desenvolvimento de sistemas de detectores extremamente precisos em medidas de posição tempo e energia.

Os detectores também devem ser qualificados em relação à sua resistência à radiação e robustez sob a operação em ambientes inóspitos como baixas temperaturas ou em vácuo, ambiente típico de satélites espaciais. Não só as tecnologias aplicadas em métodos de detecção têm de ser desenvolvidas, mas também as soluções para a configuração, monitoramento, aquisição de dados em alta velocidade e controle de sistemas extremamente complexos que são os grandes detectores ([1], [2]).

Referências:

[1] Performance of the LHCb Vertex Locator R Aaij et al., 2014 JINST 9 P09007

[2] K. Akiba et al. (2011), “Charged particle tracking with timepix ASIC”, arXiv:1103.2739

Área de concentração 3: Modelagem Computacional e de Sistemas Complexos

Modelagem computacional consiste em procurar obter o comportamento de sistemas físicos reais descritos por sistemas de equações diferenciais, geralmente acopladas, tanto ordinárias quanto parciais. As soluções obtidas são em geral numéricas pois as equações diferenciais que descrevem tais sistemas são em sua imensa maioria não lineares e, portanto, não têm soluções analíticas. Sistemas complexos se encaixam nesse tipo de modelagem, mas outros sistemas freqüentemente utilizados em engenharias são descritos por sistemas acoplados de equações diferenciais cujas soluções somente são possíveis via experimentação numérica.

Um sistema complexo é composto de partes interconectadas em que o todo exibe uma ou mais propriedades não existentes nas partes que compõem o sistema. Em outras palavras, um sistema exibe complexidade se tem propriedades, ou características, que surgem a partir das interações locais, operantes entre um grande número de componentes e que não são encontradas nos componentes individuais do sistema. O surgimento de propriedades resultantes do comportamento agregado de interações individuais define o fenômeno denominado de emergência. Assim, em cada nível de complexidade propriedades inteiramente novas aparecem, ou emergem, do coletivo que gera o sistema (Anderson, 1972).

Exemplos de sistemas complexos para os quais modelos foram desenvolvidos incluem, entre outros, o clima, a Internet e a sociedade humana, sua economia e estruturas sociais. Do ponto de vista de modelagem, sistemas complexos são caracterizados em geral por equações diferenciais não lineares, pois tais sistemas dinâmicos não estão sujeitos ao princípio da superposição, ou seja, o todo não pode ser entendido como a soma das partes. Dessa forma sistemas dinâmicos não lineares estão entre as ferramentas preferencialmente escolhidas para estudar tais sistemas. O estudo e modelamento de sistemas complexos é chamado de ciência da complexidade.

Referência:

P.W. Anderson, “More is Different”, Science (no 4047) 177 (1972) 393

Linha de pesquisa 3.1: Turbulência aplicada às engenharias

A fenomenologia da camada limite turbulenta tem sido, desde há muito tempo, tópico de interesse central na dinâmica de fluidos. Não obstante tratar-se de um problema de importância tecnológica indiscutível, pertinente, por exemplo, na redução dos gastos envolvidos no transporte de petróleo em dutos ou no desenho de aviões mais seguros e econômicos, não há ainda um entendimento satisfatório dos mecanismos físicos subjacentes às flutuações de velocidade ou outros observáveis fluido-dinâmicos na camada limite turbulenta.

Como resultado de esforços computacionais intensos, associados, principalmente, às últimas duas décadas, tornou-se claro que a camada limite turbulenta é o palco da produção e interação complexa de estruturas coerentes, tal como antecipado precocemente na literatura do assunto por Theodorsen e Townsend. Simulações numéricas de fluxos turbulentos próximos a superfícies, incapazes de resolverem em termos práticos as menores escalas do escoamento, são afetadas por dificuldades bem conhecidas e os procedimentos de fechamento analítico que levam em conta momentos estatísticos até a segunda ordem (equações auto-consistentes para os valores esperados do campo de velocidade, bem como das componentes do tensor das tensões de Reynolds) costumam falhar quando inseridos em pacotes computacionais. A razão essencial para esta limitação de caráter analítico-numérico reside no fato de que as flutuações intermitentes de borda, produzidas por estruturas coerentes, quebram, em geral, as hipóteses de fechamento. Na raiz conceitual dos modelos fenomenológicos tradicionais da camada limite turbulenta, não há qualquer papel para a enorme “fauna” das estruturas coerentes ali observadas, como vórtices alinhados ao escoamento (streamwise vortices), vórtices do tipo ferradura (horseshoe vortices), faixas de baixa velocidade (low speed streaks), etc.

Nossa abordagem ao problema da modelagem da camada limite turbulenta via estruturas coerentes está associada a aspectos numéricos razoavelmente complexos, fazendo-se absolutamente necessário o estabelecimento de uma plataforma computacional de alto desempenho. A análise numérica que iremos desenvolver tem por finalidade produzir e caracterizar grandes ensembles estatísticos de configurações bidimensionais ou tridimensionais dos campos de velocidade e vorticidade obtidos pela técnica de “Particle Image Velocimetry” (PIV) na camada limite turbulenta.

Referências:

– MORICONI, L ; PEREIRA, R M ; GRIGORIO, L S . Velocity-gradient probability distribution functions in a lagrangian model of turbulence. Journal of Statistical Mechanics, v. 2014, p. P10015, 2014.

– MORICONI, L. ; PEREIRA, R. M. . Vorticity statistics and the time scales of turbulent strain. Physical Review E (Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics), v. 88, p. 013005, 2013.

Linha de pesquisa 3.2: Modelagem computacional e tratamento de dados em larga escala em física de partículas

 As enormes quantidades de dados adquiridas pelos grandes experimentos levam também a novos métodos para a análise desses dados. A necessidade de distribuição da análise de dados levou à criação do GRID, um sistema computacional disseminado em diversos países dedicado a analisar dados da física de partículas e que também foi aplicada em diversas outras áreas da ciência.

A simulação de dados é mais um fator extremamente importante e, portanto, muito bem desenvolvida na física de altas energias que tem por objetivo realizar comparações de efeitos muito raros ou de percepção muito difícil. As simulações reproduzem com alto grau de detalhe as colisões e os processos fundamentais de a interação das partículas com o detector. Esse tipo de simulação também é empregado nas interações de radiação ionizante com a matéria, como é o caso de tomografias computadorizadas ou técnicas de radioterapia.

Referências:

[1] DIRAC pilot framework and the DIRAC workload management system, LHCb DIRAC Collaboration (Adrian Casajus et al.). 2010. 6 pp. J.Phys.Conf.Ser. 219 (2010) 062049, DOI: 10.1088/1742-6596/219/6/062049

[4] Monte Carlo simulation in PET and SPECT instrumentation using GATE Karine Assié et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 527, Issues 1–2, 11 July 2004, Pages 180–189

[2] Agostinelli, S.; Allison, J.; Amako, K.; Apostolakis, J.; Araujo, H.; Arce, P.; Asai, M.; Axen, D. et al. (2003). “Geant4—a simulation toolkit”. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 506 (3): 250. Bibcode:2003NIMPA.506..250A. doi:10.1016/S0168-9002(03)01368-8.

[3] Allison, J.; Amako, K.; Apostolakis, J.; Araujo, H.; Arce Dubois, P.; Asai, M.; Barrand, G.; Capra, R.; Chauvie, S.; Chytracek, R.; Cirrone, G.A.P.; Cooperman, G.; Cosmo, G.; Cuttone, G.; Daquino, G.G.; Donszelmann, M.; Dressel, M.; Folger, G.; Foppiano, F.; Generowicz, J.; Grichine, V.; Guatelli, S.; Gumplinger, P.; Heikkinen, A.; Hrivnacova, I.; Howard, A.; Incerti, S.; Ivanchenko, V.; Johnson, T. et al. (2006). “Geant4 developments and applications”. IEEE Transactions on Nuclear Science 53: 270. Bibcode: 2006ITNS…53..270A. doi:10.1109/TNS.2006.869826.

Linha de pesquisa 3.3: Sistemas não lineares e sócio-econômicos complexos

O estudo da sociedade humana do ponto de vista da ciência da complexidade é altamente interdisciplinar, onde a física estatística e sistemas dinâmicos não-lineares têm um papel muitoimportante, contribuindo tanto nos conceitos como nos métodos formais. Tal estudo deu origem à econofísica, definida como uma nova área interdisciplinar onde os conceitos e técnicas de análise usualmente utilizados na descrição de sistemas físicos são aplicados na investigação de problemas econômicos e financeiros. Em particular, fenômenos econômicos como, por exemplo, o colapso (crash) de um mercado acionário, o padrão de distribuição de renda em uma população ou a distribuição do tamanho das cidades surgem como consequência emergente do agregado de interações individuais.

Assim, a modelagem de sistemas complexos envolve problemas sócio-econômicos presentes em qualquer sociedade e economia moderna e diversificada, incluindo desde a dinâmica da distribuição individual de renda, a análise do mercado financeiro e a distribuição das populações em cidades.

Descrever a origem e a evolução de processos sociais, como a emergência da linguagem ou a formação de opiniões, é atualmente uma das áreas mais promissora da pesquisa em ciência. Novas técnicas de comunicação e novos processos de coleta de informações estão permitindo mapear, pela primeira vez, as interações de um grande número de atores, bem como a dinâmica e transmissão de informação ao longo dos laços sociais. Ao mesmo tempo, novas ferramentas teóricas e computacionais, bem como métodos de modelagem sintéticos, já atingiram maturidade suficiente para contribuir de forma significativa nesta área.

Uma das aplicações mais relevante pretende descrever como populações de seres humanos ou agentes podem estabelecer e compartilhar sistemas de comunicação continuamente definidos e remodelados pelo uso. A partir desta perspectiva, a linguagem é vista como um sistema em evolução e auto-organização, cujos componentes são constantemente moldados pelos falantes da língua, a fim de maximizar o sucesso comunicativo. Nestes estudos, um dos aspectos metodológicos fundamental é o de identificar e definir os modelos mínimos que podem levar a sistemas de comunicação eficientes. Para esse objetivo, modelos baseados em agentes, chamados de “Jogos de Nomeação”, resultam ser de particular importância.

Sistemas de equações diferenciais não lineares, ordinárias ou parciais são sistemas dinâmicos presentes em uma ampla gama de sistemas complexos ou outros nos quais se utilizam equações diferenciais em sua descrição. Devido à existência de técnicas específicas para o seu tratamento, foram desenvolvidas técnicas próprias de análise as quais são frequentemente abordadas via computacional. Sabe-se que esses sistemas são altamente sensíveis a pequenas alterações nas condições iniciais que podem levar uma órbita (solução) regular a uma solução caótica. Para determinar a caoticidade ou não existe uma série de indicadores, tais como expoentes de Liapunov, seções de Poincaré e outros, sendo todos determinados numericamente. Problemas dessa natureza são encontrados desde a órbita de corpos celestes até comportamente climático, além de sistemas econômicos como ciclos de negócios que envolvem crescimento econômico e recessão.

Referências:

– STUCHI, T. J.; SIMÓ, C. . Center stable/unstable manifolds and destruction of KAM tori in the planar Hill problem. Physica D, p. 1-32, 2000

– ALVAREZ-RAMÍREZ, M. ; FORMIGA, J. K. ; MORAES, R. V. ; SKEA, J. E. F. ; STUCHI, T. J. . The stability of the triangular libration points for the plane circular restricted three-body problem with light pressure. Astrophysics and Space Science, v. 351, p. 101, 2014.

– Newton J. Moura Jr. & Marcelo B. Ribeiro, Testing the Goodwin Growth-Cycle Macroeconomic Dynamics in Brazil. Physica A, vol. 392, 2088-2103, (2013)

– F. Chami Figueira, Newton J. Moura Jr & Marcelo B. Ribeiro, The Gompertz-Pareto Income Distribution, Physica A, vol. 390, 689-698, (2011)

– CROKIDAKIS, NUNO ; Brigatti, Edgardo . Discontinuous phase transition in an open-ended Naming Game. Journal of Statistical Mechanics, v. 2015, p. P01019, 2015.

– de Almeida, V.T.X. ; Moriconi, L. . Option pricing from wavelet-filtered financial series. Physica. A, v. 391, p. 4850-4854, 2012

– Kerstenetzky, J. . Alfred Marshall on big business. Cambridge Journal of Economics, v. 34, p. 569-586, 2010

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