Linhas de pesquisa

O grupo utiliza técnicas de modelagem computacional para estudo de sistemas de matéria condensada (materiais nas fases líquidas, sólidas e amorfas). Esses sistemas podem conter de dezenas até milhões de átomos como também podem se empregar o tratamento de várias escalas de tamanho. Estamos interessados nas seguintes linhas de pesquisa:

  • Propriedades termodinâmicas de materiais
  • Defeitos em sólidos cristalinos
  • Sistemas nanoestruturadoss

Há diversos métodos empregados nesses estudos desde métodos ab initio (que permitem descrições quânticas da matéria), baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e Integrais de Caminho até potenciais efetivos, que podem ser mais sofisticados e até mais simples como o de Lennard-Jones, passando por modelagem Tight-binding. Os métodos de Monte Carlo e Dinâmica Molecular são usados na simulação dos sistemas físicos. Os objetivos do grupo são entender fenômenos ainda não bem compreendidos como desenvolver novos materiais ou dispositivos. Os tamanhos dos sistemas utilizados, vão de alguns átomos até milhões, está associado ao fenômeno a ser estudo e a complexidade da metodologia a ser empregada.

Métodos quânticos demandam maior capacidade computacional, exigindo o menor número de partículas a serem tratadas. Por outro lado, métodos com potenciais efetivos permitem o uso de um número maior de átomos, mas são restritos ao tratamento de fenômenos clássicos. As propriedade termodinâmicas (temperatura, entropia, volume, pressão, …) dependem da fase que um material está. A transição de um estado para o outro pode mudar abruptamente essas propriedade e quando isso ocorre são denominadas transições de fases de primeira ordem. Esse tipo de transição de fase ocorre através do processo de nucleação onde pequenas partes do material começam a mudar até que o processo ocorra em todo o material. O grupo estudou, por exemplo, qual seria a fase entre os grão de gelo e descobriu que provavelmente seria líquido.

Fig.1: Molécula de ácido, defeito intersticial, numa rede de gelo. Molécula de ácido, defeito intersticial, numa rede de gelo.

Fig. 2: Ponte de Hidrogênio entre moleculas de água, com seus respectivos centros de Wannier (X). Ponte de hidrogênio entre duas moléculas de água, com respectivos centros de Wannier.

Os cristais são sólidos no qual seus constituintes, átomos, moléculase e/ou íons, ocorrem num ordenamento periódico que se repete por todo o material. Os cristais com essa característica são ditos perfeitos, mas na Natureza eles apresentam defeitos. Esses defeitos podem ser pontuais (por exemplo, devido a substituição de uma molécula no material por outra diversa), planares (regiões entre grãos do material) ou volumétricos (devido a efeitos de radiação, por exemplo). Há uma classe especial de defeitos que ocorres devido a quebre de uma simetria contínua do sistema, esses defeitos são conhecidos como topológicos. Esses defeitos mudam as características dos materiais. Essas alterações podem ser benéficas como o endurecimento do ferro acrescentando átomos de carbono, criando o aço, ou maléficas como a deterioração de envoltórios de rejeitos nucleares.

Sistemas nanoestruturados são constituídos de dezenas de átomos. Pelo seu tamanho restrito, de centésimo de milionésimo do metro, esses materiais possuem características diferentes das de materiais macroscópicos e cada vez mais são candidatos a usos em novas tecnologias como por exemplo na eficiência de células combustíveis. Exemplos destes materiais são grafeno e seus filhos que se apresentam em folhas 2D, com espessura atômica.

O grupo possui colaboração com a Universidade de São Paulo (USP), São Paulo e São Carlos-SP, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Campinas-SP, e a Universidade Federal do ABC (UFABC), Santo André-SP. Utiliza recursos computacionais próprios e de centros multiusuários estaduais e nacionais.