Projetos
REGISTO (até 1 de abril)
Projeto 1: A forma da água
Rodrigo Coelho e Paulo Teixeira
As películas de sabão entre as bolhas de uma espuma, ou as gotas de água num tubo capilar, são exemplos de pontes líquidas: colunas de líquido que unem duas superfícies sólidas. Neste projecto pretende-se estudar o movimento de pontes líquidas em canais usando simulação de fluidos. Em particular, quer-se determinar a força de atrito exercida pela superfície do canal sobre a ponte líquida, a qual dependerá, naturalmente, da molhabilidade do canal pelo líquido que constitui a ponte. Esta força constitui uma medida da dificuldade em fazer uma espuma (constituída por muitas pontes líquidas) atravessar um material poroso (constituído por muitos canais). Os resultados são potencialmente relevantres para processos como a recuperação de petróleo presente em rochas, ou a purificação de solos, por injecção de espuma, ou ainda o alívio dos sintomas da asma, que se pensa ter origem na formação de pontes líquidas nos brônquios.
Projeto 2: Ordem a partir da desordem
André Matias e Pedro Patrício
Durante o transporte de embalagens de misturas de frutos secos ocorrem vibrações que levam à separação por tamanho dos frutos. Isto manifesta-se quando, ao abrir a embalagem, encontramos os maiores frutos no topo. Este fenómeno, conhecido como efeito castanha-do-brasil, aparenta violar a terceira lei da termodinâmica uma vez que as vibrações promovem ordem no sistema levando a um decréscimo da entropia. Existem outros exemplos de criação de ordem a partir de vibrações, cada um com peculiaridades interessantes de estudar. Neste projeto será estudado o que é necessário para criar ordem num sistema de grãos espalhado por duas caixas. O objetivo final é colocar todos os grãos numa caixa apenas através da vibração das caixas.
Projeto 3: Cavitação
Rodrigo Coelho e André Matias
A cavitação é um processo de formação de bolhas num fluido que ocorre quando a pressão fica menor que a pressão de vapor. Geralmente acontece próximo de partes sólidas e causa degradação de equipamentos industriais e perda de rendimento. A cavitação pode ocorrer, por exemplo, durante a injecção de gasóleo na câmara de combustão alterando as características do spray ou ainda, próximo de hélices em bombas hidráulicas. Neste projecto, vamos explorar um modelo de transição de fases líquido-vapor termodinamicamente consistente e usá-lo para simular a formação de bolhas próximo de obstáculos sólidos.
Projeto 4: Cooperação entre partículas flexíveis num meio poroso
Rodrigo Coelho e Danilo Silva
O escoamento de partículas flexíveis transportadas por um fluido ocorre em diversas situações como em filtragem de água ou em exames de análises clínicas. Experimentos recentes de microfluídica sugerem que partículas deformáveis cooperam entre si através de interação hidrodinâmica para passarem por um meio poroso, ou seja, sob as mesmas condições, uma única partícula fica presa entre os obstáculos enquanto muitas passam. Se as partículas tiverem diferentes flexibilidades, esse processo faz com que as mais flexíveis passem à frente enquanto as menos flexíveis fiquem retidas o que pode ser usado para separar células diferentes em exames. Neste projecto, vamos simular partículas flexíveis suspensas num fluido a passar por obstáculos usando o método lattice-Boltzmann e estudar a interação entre as partículas.
Projeto 5: Bioprinting: simulação da impressão de órgãos artificiais
Cristóvão Dias
Uma recente aplicação de impressoras 3D tem sido a impressão de tecidos vivos. Para isso ser possível, é criada uma mistura de partículas de gel juntamente com células que irão agregar na estrutura depositada formando a base para o crescimento de um órgão artificial. O desafio existente está em como deve ser distribuída a relação entre células e partículas do gel no depósito da impressora. O ideal seria imprimir célula a célula, no entanto, se a abertura da cabeça de impressão for demasiado pequena as células são mortas. Neste projeto irá ser implementado um modelo de deposição de dois tipos de partículas: células e partículas do gel. A relação entre fluxos de células e partículas irá controlar a porosidade do material e a robustez do tecido.
Projeto 6: Coronavírus: simulação da dinâmica do vírus na mucosa pulmonar
Cristóvão Dias
O Coronavírus pertence a uma classe de vírus que evoluiu de forma a ter na sua superfície recetores com diferentes funcionalidades. Alguns desses recetores servem para conectar a recetores semelhantes no tecido epitelial. De forma a proteger-se desses vírus o corpo criou um muco viscoso que contém os mesmos recetores de forma a prender o vírus e serem transportados até a traqueia onde são eliminados. Neste projeto serão feitas simulações de dinâmica molecular onde o vírus difunde na mucosa tentando atingir os recetores no tecido epitelial. Será estudada qual a distribuição de recetores na superfície do vírus que otimiza a adsorção no tecido.
Projeto 7: Auto-organização de micropartículas na superfície de uma gota
Mykola Tasinkevych
Partículas do tamanho de mícron presas em uma interface fluido-fluido podem deformar sua forma aumentando a área de superfície da interface. Este aumento na área interfacial é penalizado por um aumento na energia livre de superfície do sistema. As partículas tendem a adotar algumas configurações espaciais preferidas, a fim de minimizar a energia livre.
Neste projeto, realizaremos um estudo de simulação de dinâmica molecular do comportamento coletivo de micropartículas presas na superfície de uma gota esférica. Considerações teóricas preliminares mostram que as interações eficazes entre partículas neste caso são não monotônicas, pois a separação de partículas varia. Isso pode ter efeitos profundos nas estruturas e na dinâmica dos conjuntos de partículas.
Projeto 8: Cristais coloidais formados por partículas dispersas em um cristal líquido nemático
Mykola Tasinkevych
As partículas coloidais dispersas em um cristal líquido nemático são frequentemente carregadas, de modo que as interações eletrostáticas dão origem ao comportamento eletrostático do tipo monopolo dessas partículas, mas o mais interessante e exclusivo dos coloides nemáticos são os multipólos que ocorrem devido a elasticidade orientacional dos meios nemáticos.
Neste projeto, realizaremos um estudo de simulação de dinâmica molecular do comportamento coletivo de micropartículas dispersas em um cristal líquido. Consideraremos partículas com monopolos e dipolos eletrostáticos e multipolos elásticos com forças ajustáveis de momentos multipolares para orientar a auto-ordenação orientacional e posicional de partículas coloidais em um hospedeiro nemático, levando a novas fases da matéria condensada.
Projeto 9: Quanto tempo leva para achar um pequeno alvo em uma busca aleatória?
Hygor Piaget
A atividade de uma célula é controlada por um sequência complexa de reações químicas. Para que essas reações ocorram dentro da célula, é necessário que moléculas movendo-se aleatoriamente encontrem sítios específicos para a reação. Quanto tempo isso pode levar? Nesse projeto, através de simulações, pretende-se estudar o tempo necessário que partículas brownianas interagindo em um ambiente complexo levam para atingir um alvo pela primeira vez, e como podemos controlar esse tempo.
Projeto 10: Segregação de partículas coloidais em superfícies heterogêneas.
Hygor Piaget e Diogo Pinto
A segregação de partículas coloidais numa superfície depende fortemente do balanço delicado entre as propriedades dessa partícula e do substrato. Sobre que condições podemos segregar partículas usando um substrato heterogêneo? Neste projeto, através de simulações, pretende-se estudar como o acoplamento entre partícula-substrato pode levar à segregação.
Projeto 11: Da célula ao tecido
Diogo Pinto
No estudo de células e tecidos biológicos uma das perguntas em aberto é, quais os princípios físicos relevantes que levam da célula ao tecido. Neste projeto pretende-se estudar colónias de células para tentar perceber como as propriedades mecânicas dos tecidos emergem das interações de múltiplas células.
Projeto 12: A influência de defeitos na estrutura do tecido para a cicatrização de feridas
Genilson Carvalho
A pele é uma grande barreira para a proteção do corpo, portanto, quanto mais rápido o tecido epitelial se recuperar de alguma lesão, maiores são as chances de sobrevivência do indivíduo. A cicatrização de feridas é um processo de regeneração do tecido para o fecho da ferida, que implica migração celular coletiva e formação de um cabo contrátil que conecta as células da borda da ferida. Este é um processo essencial à vida, sendo por isso necessário entender os mecanismos fundamentais envolvidos na cicatrização. Estes conhecimentos poderiam ser usados para melhorar a eficiência e a escala de tempo do processo de cura. Foi criado um modelo teórico com molas a conectar as células numa rede triangular, que representa o tecido. É feito um corte nessa rede para medir a evolução temporal da área da ferida. Neste projeto serão criados defeitos na estrutura do tecido de modo a observar como isso influência o fecho.
Projeto 13: Busca de matéria escura no Large Hadron Collider
Rui Santos
É hoje claro que existe matéria para além da matéria visível. A nossa ignorância levou-nos a chamar-lhe matéria escura. O Modelo Padrão, apesar de ter resistido a testes de grande precisão experimental, não contém nenhuma partícula que seja um candidato viável a matéria escura. É portanto necessário extender o Modelo Padrão com a inclusão de novos campos e novas interações. Este projecto destina-se à formulação teórica de novos modelos, à utilização de códigos para derivação de regras de Feynman para Lagrangianos arbitrários, cálculos de secções eficazes e/ou densidades de relíquia, com o objectivo final de procurar sinais de matéria escura no LHC.
Projeto 14: Será que há mais um Higgs, só que mais leve?
Rui Santos
As extensões mais simples do Modelo Padrão, que tentam resolver o problema da assimetria entre matéria e anti-matéria no universo, dão origem a novas partículas de spin zero. Uma vez encontrado o Higgs, podemos perguntar se por acaso não haverá uma partícula mais leve que tenha escapado à detecção até ao momento. Partindo de um modelo simples com violação da simetria CP, e que prevê a existência de novos bosões, este projecto consiste em estudar a possibilidade de nos ter escapado um Higgs muito leve nas buscas no LHC. Se sim, quais serão as melhores estratégias para procurá-lo. Para esse fim, é necessário utilizar técnicas avançadas de análise de dados e de simulação de eventos para uma correcta previsão em experiências de física de partículas, como o Large Hadron Collider no CERN. Serão utilizados softwares de física de altas energias (Picture: courtesy of M.M. Mühlleitner).
Projeto 15: Modelos com Assimetria Matéria-Antimatéria
Pedro Ferreira
Em modelos com mais bosões de Higgs do que o Modelo Padrão, existe a possibilidade de explicar porque é que o Universo é composto por tanta mais matéria do que anti-matéria. Essa "violação da simetria CP" é causada por interacções entre partículas de spin 0, ou entre partículas de spin 0 e quarks. Mas quaisquer modelos que tentem explicar a assimetria matéria-antimatéria têm de reproduzir uma grande quantidade de resultados experimentais para poderem ser considerados válidos.
O trabalho proposto neste estágio de verão consiste em analisar as previsões de um modelo de dois dubletos de Higgs relativamente a vários observáveis específicos, como a diferença de massas dos mesões K, o parâmetro epsilon_K e os decaimentos dos mesões Bs para muões. À parte compreender a física envolvida, o trabalho consistirá na optimização de algoritmos computacionais para averiguar se é possível ajustar os parâmetros do modelo aos resultados experimentais.
Conhecimentos de Matlab e/ou Python requeridos. Destinado a alunos do 3º ano de Física ou de Mestrado, com interesse em Física de Partículas teórica ou experimental.
Projeto 16: A energia mais alta do Universo
Pedro Ferreira
Os protões dos raios cósmicos têm um limite máximo de energia, devido ao mecanismo GZK: a partir de energias muitíssimo elevadas (cerca de 10^20 eV) as colisões destes protões com os fotões da radiação cósmica de fundo tornam-se relevantes, e o universo torna-se "opaco" para estas partículas.
A base deste projecto será a compreensão do mecanismo GZK e a sua aplicação para neutrinos: existirá um limite de energia similar ao dos protões para os neutrinos? Dependerá da massa dos neutrinos? Dos detalhes da sua oscilação entre "sabores" diferentes? E poderão neutrinos tão energéticos ser observados?
Destinado a alunos do 3º ano de Física ou de Mestrado, com interesse em Física de Partículas teórica ou experimental.
