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Ondas longas de infravermelho canalizadas em nanofitas de SnO2
Ondas longas de infravermelho canalizadas em nanofitas de SnO2
Figura: (a) Esquema experimental que mostra o feixe de infravermelho longo iluminando uma ponta metálica de microscopia de força atômica (nano-antena) para o experimento nanoespectroscopia. A radiação infravermelho é confinada no ápice da ponta numa região de 25 nm. (b) Imagens de microscopia eletrônica de nanofitas de SnO2. (c) Fontes de infravermelho baseadas em aceleradores utilizadas nos experimentos. (d) Vista da seção transversal do campo elétrico simulado de dentro da nanofita destacando a presença de ondas estacionárias. (e) Visualização experimental dos modos de cavidade através de imagens hiperespectrais.
Press-Release: Nanofitas de Óxido de Estanho (SnO2) crescidas durante o meu doutorado no departamento de física da UFMG se mostraram capazes de canalizar ondas longas de infravermelho. A busca por novos materiais, métodos para detecção, manipulação e confinamento de tais ondas têm se tornado uma pauta recorrente no campo da nanofotônica. Com esse propósito, pesquisadores de diversos grupos e universidades combinaram experimentos de Nanoespectroscopia de Infravermelho em três diferentes aceleradores (LNLS, ALS e FEL - síncrotron e laser de elétrons livres), teoria e simulações numéricas para confirmar que essas nanofitas são uma excelente plataforma nanofotônica. Este trabalho traz uma abrangente descrição das propriedades ópticas deste material como um dielétrico nanométrico e também como um material na forma de um guia de ondas. De acordo com os pesquisadores, essa descoberta expande as possibilidades do uso do SnO2 para aplicações em ressonadores ópticos e, potencialmente, guia de ondas na faixa de infravermelho longo.
Publicação: Flávio H. Feres, Rafael A. Mayer, Lukas Wehmeier, Francisco C. B. Maia, E. R. Viana, Angelo Malachias, Hans A. Bechtel, J. Michael Klopf, Lukas M. Eng, Susanne C. Kehr, J. C. González, Raul O. Freitas and Ingrid D. Barcelos. Sub-diffractional cavity modes of terahertz hyperbolic phonon polaritons in tin oxide. Nature Communications, 2021, 12, pp 1995. DOI: 10.1038/s41467-021-22209-w
PARCERIA: Dr. Ingrid Barcelos (LNLS-Sirius)
Grupo IMBUIA (Infrared Multiscale Beamline for Ultra-resolved Imaging Applications)
Laboratório Nacional de Luz Síncroton - Campinas/SP.
Simulação multifísica de um pack de baterias para carros elétricos (Rota 2030-fundep)
Simulação multifísica de um pack de baterias para carros elétricos (Rota 2030-fundep)
Após 3 anos de trabalho intenso de uma equipe de mais de 30 pesquisadores das instituições da UTFPR - Campus Curitiba e Ponta Grossa e com o time do SENAI Eletroquímica finalizamos o projeto de "Pack de Baterias de Íons Lítio com BMS" com o apoio dos recursos do Rota 2030 da coordenadora da Linha V a FUNDEP. No projeto foram realizados estudos de simulação/modelagem e machine learning pelas unidades da UTFPR formando mestres de doutores no tema. à área de Smart Energy do Instituto SENAI de Inovação em Eletroquímica coube a missão de montar o pack de baterias com a química LFP-Lítio-Ferro-Fosfato, fazendo as conexões entre as células, o sensoriamento, o isolamento elétrico, além da integração de um BMS e testes. Também foi desenvolvido um invólucro de aço microligado com nióbio fornecido pela ArcelorMittal, que contou com adesivos e selantes fornecidos pela Henkel. Foi um projeto desafiador em vários aspectos, que permitiu avançarmos no domínio do conhecimento da tecnologia e na formação de recursos humanos qualificados para o setor automotivo. Este trabalho colaborativo destaca o potencial transformador da pesquisa científica e da inovação tecnológica na construção de um futuro mais sustentável e inteligente. Uma conexão entre a Indústria e a Universidade Pública Brasileira.
PARCERIA: UTFPR-CT, UTFPR-PG, Renault, SENAI e Clarios.
COORDENAÇÃO GERAL: Fernanda Cristina Corrêa (UTFPR-PG).
COORDENAÇÃO LOCAL: Walmor Cardoso Godoi/Emilson Ribeiro Viana Junior (UTFPR-CT), Marco Antônio Berton (ISI-SENAI), Paulo Broniera (SENAI), Valério Mendes (Centro de Mobilidade Sustentável e Inteligente - SENAI) e Alexandre Silveira (RENAULT do Brasil).
PROJETO: FUNDEP-Rota 2030 (Projeto 27192.03.01/2020.16-00) - Eixo (iii) Propulsão Alternativa a Combustão. Linha temática: Desenvolvimento e modelagem dos sistemas de armazenamento de energia (R$2.1M).
ARTIGOS/DISSERTAÇÕES/TESES PUBLICADAS NO PROJETO:
ARTIGOS SUBMETIDOS (1/2024):
Failure lithium-ion battery prototype to Machine Learning experiments
Joelton Deonei Gotz, José Renan Holanda, Alexandre Silveira, Emilson Ribeiro Viana, Walmor Godoi, Milton Borsato
Design Automation for Embedded Systems
Machine Learning-Based Analysis of Over-Discharge Effects on Cell Capacity Degradation Across Cycles
Joelton Deonei Gotz, Samuel Henrique Werlich, José Rodolfo Galvão, Fernanda Cristina Corrêa, Hugo Valadares Siqueira, Emilson Ribeiro Viana and Milton Borsato
Journal of Power Sources
Reinforcement Learning Strategies for Improved Failure Detection in Lithium-Ion Battery System
Joelton Deonei Gotz, Samuel Henrique Werlich, José Rodolfo Galvão, Fernanda Cristina Corrêa, Alceu André Badin, Emilson Ribeiro Viana, Milton Borsato
Knowledge-Based Systems
Enhancing SOC Estimation Accuracy via Incremental Learning Techniques for Second-Life Batteries
Joelton Deonei Gotz, Paulo Henrique Garcia de Souza, José Rodolfo Galvão, Fernanda Cristina Corrêa, Alceu André Badin, Emilson Ribeiro Viana, Milton Borsato
Sustainable Energy Technologies and Assessments
Detectores de radiação OSL-RL decorados com nanopartículas
Detectores de radiação OSL-RL decorados com nanopartículas
A presença de nanopartículas (NPs) na superfície dos dosímetros OSL pode afetar sua eficiência luminescente. Este trabalho investigou o efeito de diferentes nanopartículas metálicas (M-NPs) depositadas na superfície de filmes OSL de fluoreto de cálcio natural brasileiro (CaF2) sobre sua eficiência luminescente. Filmes OSL de CaF2 foram preparados com M-NPs (Ag, Au, Bi, Cu e Pb) depositadas por spin-coating em diferentes velocidades. A eficiência OSL foi avaliada comparando a resposta OSL das amostras com e sem NPs após a mesma dose de radiação. As leituras e irradiações foram realizadas em um leitor Risø TL/OSL com fonte beta 90Sr/90Y (11 mGy/s). A influência do volume de solução com NPs (400 μL, 600 μL e 800 μL) na resposta OSL também foi estudada. Os resultados demonstraram que as M-NPs influenciam a resposta OSL dos filmes de CaF2 de diferentes maneiras. O aumento da intensidade OSL foi observado para algumas M-NPs, enquanto outras diminuíram a resposta. O efeito das M-NPs na eficiência OSL depende de diversos fatores, como material, tamanho e geometria das NPs, além da velocidade de spin-coating e volume de solução depositado. O estudo conclui que as M-NPs podem ser utilizadas para modificar a eficiência OSL de dosímetros de CaF2. A escolha da M-NP e seus parâmetros de deposição são cruciais para otimizar a resposta OSL para aplicações específicas.
PARCERIA: Profa. Anna Luiza Malthez (DAFIS-CT, PPGFA-CT)
DISCENTE - MESTRADO: Guilherme de Mello Aguiar (PPGFA-CT)
Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia (PPGFA-CT)
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UFPR-CT).
APRESENTAÇÃO - CONGRESSO INTERNACIONAL - SSD20 (Piza/Itália)
e ARTIGO EM DESENVOLVIMENTO:
Amplifying Luminescence of OSL CaF2 detectors through the deposition of mettalic nanoparticles
Nanofios de óxido de cério
Nanofios de óxido de cério
Materiais nanoestruturados apresentam propriedades físicas diferentes dos seus homólogos a granel, e muitas vezes essas diferenças expandem suas possibilidades tecnológicas. O óxido de cério é um catalisador bem conhecido material, e seu desempenho aumenta em nanofios, devido ao aumento da relação superfície/volume. Pequenos diâmetros de nanofios podem levar à observação de efeitos quânticos. Controlar diâmetros de nanofios é muito importante para ampliar as possíveis aplicações de óxido de cério, como fotodetectores, por exemplo. Neste trabalho, nanofibras poliméricas e de acetato de cério são fabricado por deposição de eletrofiação em um alvo metálico. As nanofibras foram transformadas Nanofios de CeO2 por tratamento térmico. Diferentes temperaturas de recozimento foram realizadas, para garantir a conversão total em CeO2. Diferentes razões de massa de acetato de cério de polímero foram testadas, a fim de controlar o comprimento da nanofibra e consequentemente o diâmetro do nanofio.
PARCERIA: Prof. Evaldo Ribeiro (Dep. Física)
DISCENTE - DOUTORADO: Joyce de Mattos Leão (Dep. Física)
Programa de Pós-graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais (PIPE)
Universidade Federal do Paraná (UFPR).
Equipamento LAMP baixo-custo (COVID-19)
Equipamento LAMP baixo-custo (COVID-19)
O projeto é a criação de dois equipamentos (um para microtubos e outro para chips) de baixo custo para realização de testes moleculares de reação LAMP (loop-mediated isothermal amplification) que é capaz de amplificador DNA e RNA, com a transcrição reversa. Essa técnica amplifica amostras de material genético a temperatura constante de 65°C e não necessita de ciclos, com isso a eletrônica envolvida torna-se de baixo custo. O equipamento é capaz de realizar oito testes (para microtubos) ou quatro testes (para microchips) de uma só vez através de um suporte que são preenchidos com a amostra que será analisada, os primers e a enzima para que ocorra a reação. Além disso, o LAMP possui alta especificidade, sensibilidade, rapidez e gera coloração na amostra, sabendo disso o equipamento faz a leitura do resultado final através de sensores de cor e indica quais amostras amplificaram.
PARCERIA: Prof. Lucas Blanes (Projeto IBMP/SUS)
Instituto de Biologia Molecular do Paraná.
Laboratório de Ciências e Tecnologias Aplicadas em Saúde (LaCTAS).
Fiocruz - Instituto Carlos Chagas - Curitiba/PR.
Materiais antimicrobianos
Materiais antimicrobianos
Apesar de todos os avanços recentes nos tratamentos médicos, as doenças infecciosas continuam perigosas. Isso levou a uma intensa pesquisa científica em materiais com propriedades antimicrobianas. Nanopartículas de prata (Ag-NPs) são uma solução bem estabelecida nesta área. O presente trabalho estudou a nucleação de prata em substratos de haloisita modificados por tratamento químico com NaOH. Os Ag-NPs estabilizados resultantes foram caracterizados por difração de raios-X, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de raios-X com dispersão de energia. A nucleação foi caracterizada por análise termogravimétrica e calorimetria exploratória diferencial. As propriedades antimicrobianas dos Ag-NPs foram investigadas contra E. coli e S. aureus. O potencial dos Ag-NPs para aplicação industrial foi testado dispersando-os em polietileno de baixa densidade. A importância da afinidade química entre a matriz e o aditivo foi testada através do revestimento dos Ag-NPs com dodecanotiol, um surfactante apolar. Os compósitos resultantes foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura e quanto à atividade antimicrobiana de superfície. Os resultados demonstram que os Ag-NPs sintetizados neste trabalho são de fato antimicrobianos, e que é possível imbuir uma matriz polimérica com as propriedades antimicrobianas dos Ag-NPs.
PARCERIA: Startup - Nanotropic.
Eficiência de Fotocatalisadores por degradação de corantes
Eficiência de Fotocatalisadores por degradação de corantes
Este projeto tem como objetivo automatizar o processo de caraterização do rendimento de fotocatalisadores por meio da degradação de Azul de Metileno e outros corantes. Baseando-se em uma solução de baixo custo, quando comparada a soluções baseadas em equipamentos de alto valor agregado, e.g., espectrômetros de absorbância, o presente projeto oferece uma solução de fácil replicação para universidades. Somando-se a isso, tem-se o objetivo de aumentar a precisão dos cálculos realizados para se obter o rendimento da degradação do fotocalisador, uma vez que comumente eles não ultrapassam 10 pontos em um gráfico de caracterização de fotocatalisadores. Por meio da solução proposta, utilizando medições em intervalos de amostragem pequenos, e.g., da ordem de segundos, procedimentos que, geralmente, duram horas, ou mesmo dias, podem ser caracterizados de forma automatizada, com baixo custo e maior precisão. Uma aplicação para aquisição de dados é desenvolvida e embarcada em um módulo microcontrolado, a plataforma ESP32, que por sua vez é acoplado a dispositivos de comunicação, medição e atuação, tais como LEDs, sensores de luz e bombas de fluido. Outra aplicação, web/mobile será desenvolvida para comunicação com o módulo ESP32, bem como para o registro, visualização e análise das medições. Ao final do projeto, apresenta-se uma extensão para abranger mais tipos de fotocatalisadores e pigmentos.
PARCERIA: Prof. Juan C. González (Dep. Física - UFMG).
Eng. Daniel Barroso (BAM-Berlim-Alemanha).
DISCENTE - MESTRADO: Yuri Werner Ott (PPGFA).
Materiais Absorvedores de Microondas
Materiais Absorvedores de Microondas
Algumas dessas pesquisas são desenvolvidas em colaboração com outras instituições de ensino, como o projeto do doutorado, em Ciência dos Materiais, do engenheiro (egresso da UTFPR) Mattheus Torquato, no Instituto Militar de Engenharia (IME), no Rio de Janeiro-RJ. A pesquisa, “Produção e caracterização de compósitos de ferrita de manganês e óxido de grafeno reduzido para absorção de microondas” orientada por Ronaldo de Biasi (IME) e co-orientada por Emilson tem como objetivo a produção de nanomateriais capazes de absorver microondas com maior eficácia em relação aos materiais utilizados atualmente. Esse projeto apresenta um viés para aplicações militares, pois prevê a produção de um tinta absorvedora de microondas para camuflagem de aeronaves em radares em sua fase final.
PARCERIA: Prof. Ronaldo de Biasi (IME/RJ).
PRÊMIO: Menção Honrosa (aluno Mattheus Torquato, IME-RJ) no 28º Congresso Brasileiro de Microscopia e Microanálise, Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise (SBMM) - 2021.
Sensores de Bragg recobertos com Óxido de Grafeno (GO)
Sensores de Bragg recobertos com Óxido de Grafeno (GO)
Projeto desenvolvido pelo aluno de mestrado Yuri Bilk Matos, no Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia (PPGFA-CT), orientado pelo próprio Emilson, co-orientado por Ricardo Canute, professor do mesmo departamento. O projeto, intitulado “Nanobiossensores em redes de Bragg recobertas por óxido de grafeno”, tem como objetivo ampliar a capacidade sensitiva dos sensores de Bragg (sensores baseados em fibras óticas) através da deposição de óxido de grafeno sobre a sua superfície. Dessa forma, a análise de exames em laboratórios, a princípio, poderia se tornar mais rápida e fácil. A pesquisa em questão está sendo desenvolvida em parceria com a Fundação Oswaldo Cruz, tendo em vista a detecção de doenças tropicais, tais como zika, dengue e chikungunya.
PARCERIA: Prof. Ricardo Canute (DAFIS-UTFPR-CT)
Transporte Elétrico em Nanofitas de Óxido de estanho SnO2
Transporte Elétrico em Nanofitas de Óxido de estanho SnO2
Essa tese trata do estudo das propriedades elétricas e fotoelétricas de nanofitas isoladas de óxido de estanho, SnO2. Para a realização desse trabalho, nanofitas de SnO2 foram crescidas pelo método vapor-líquido-sólido. Utilizando-se técnicas de litografia ótica foram fabricados transistores de efeito de campo de nanofitas isoladas com a finalidade de estudar seu transporte elétrico em diversas condições de temperatura, iluminação e atmosferas. O transporte elétrico das nanofitas de SnO2 foi estudado através de medidas, no escuro, da resistividade em função da temperatura. Diferentes modelos de condução foram utilizados para analisar os dados experimentais em várias faixas de temperatura: transporte termicamente ativado nas bandas de condução e valência, transporte por saltos entre primeiros vizinhos em bandas de defeitos e finalmente transporte por saltos de alcance variável em bandas de defeito.
A condutividade das nanofitas de SnO2 foi também medida sob iluminação ultravioleta, variando-se a temperatura da amostra de 400 K até 4 K. Calculamos que a densidade de cargas foto-induzidas na nanofita pela luz UV é tão alta, acima de 150 K, que ultrapassa a densidade crítica de Mott e a nanofita transita do estado isolante ou semicondutor para o estado metálico. Experimentalmente observamos a transição metal-isolante a 240 K. A observação dessa transição nessas nanoestruturas mostra o potencial delas para aplicações em novos tipos de dispositivos eletrônicos. Esse fenômeno é resultado do elevado grau de desordem nas nanofitas.
O efeito da quantização da condutividade na banda de condução foi observado nas nanofitas de SnO2 através de oscilações na curva característica da corrente de dreno em função da tensão de porta do transistor, a baixas temperaturas. O confinamento quântico dos elétrons criou sub-bandas de energia, que são sucessivamente preenchidas quando variamos o nível de Fermi no material através do aumento ou diminuição a tensão da porta. A separação energética máxima entre as sub-bandas observadas foi estimada em 5,5 meV, o que está de acordo com resultados experimentais e a dependência térmica das oscilações que desaparecem para temperaturas acima de 50K.
A fotocondutividade nas nanofitas de SnO2 foi estudada em função da temperatura e para diferentes atmosferas: ar, hélio e vácuo. As nanofitas apresentam um grande e rápido aumento da condutividade elétrica quando submetidas à iluminação ultravioleta. Esse efeito cresce quando diminuímos a temperatura ou a concentração de oxigênio no ambiente. Porém, quando a luz UV é desligada, a fotocorrente decai lentamente com tempos característicos da ordem de horas, o que caracteriza o efeito da Fotocondutividade Persistente. Esse feito foi explicado através dos fenômenos de absorção e dessorção de oxigênio molecular na superfície da fita. A dependência térmica da Fotocondutividade Persistente foi explicada através da ativação térmica de um buraco de um nível aceitador EA para a banda de valência, com uma energia de ativação de 230 meV.
PARCERIA: Prof. Juan Carlos González (Dep. Física - UFMG).
Divulgação Científica
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