Projetos Em andamento

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Simulação e modelagem de minerais a altas pressões: Minerais do manto terrestre
 
O estudo das propriedades de materiais a altas pressões permitiu, nas últimas décadas,
desenvolvimentos em diversas áreas do conhecimento, por exemplo na metalurgia, construção
civil e astrofísica. Especificamente na área de geofísica, experimentos a altas pressões
tentam reproduzir as condições termodinâmicas que os minerais estão expostos no subsolo
terrestre. Nos últimos anos, um dos temas mais explorados em geofísica está relacionado
com a fenomenologia do manto terrestre inferior, que compreende profundidades entre 670
e 2700 Km, onde as pressões variam entre 20 e 130 GPa. O conhecimento das propriedades
físicas do manto é fundamental para a determinação de diversas propriedades importantes
da Terra, relacionadas por exemplo com a composição química e termodinâmica da Terra, 
geodinâmica e evolução das placas tectônicas. Grande parte das informações conhecidas
sobre o manto terrestre é obtida de forma indireta, usando os dados da propagação de 
ondas sísmicas (de terremotos) que atravessam o manto. Essas medidas levam ao conhecimento
das propriedades elásticas do manto e de sua densidade, mas o grande desafio é extrapolar 
essas informações, de tal forma a se identificar a composição química do manto. Para se 
construir modelos composicionais do manto é necessário associar as propriedades elásticas 
do manto com aquelas de materiais conhecidos e estudados em laboratório em condições
termodinâmicas equivalentes às aquelas do manto terrestre, ou seja a altas temperaturas 
e pressões. Neste contexto, modelos teóricos, baseados em simulações atomísticas, são 
bastante importantes para o estudo desses materiais. O manto terrestre é primordialmente 
composto por minerais do tipo óxidos (MgO e MgSiO3), com uma concentração de ferro, ainda 
não totalmente bem determinada. Entretanto, importantes questões em relação à incorporação 
de ferro nesses minerais permanecem em aberto. Entender como o ferro interage nesses 
minerais é fundamental para o desenvolvimento de modelos composicionais mais confiáveis 
do manto terrestre. Há diversos outros elementos químicos presentes no manto inferior, 
como cálcio e alumínio. Entretanto, um ponto de grande interesse nos últimos anos é 
com relação à concentração de carbono nessas grandes profundidades. O objetivo deste 
projeto será desenvolver simulações computacionais baseadas em modelos de primeiros 
princípios para investigar as propriedades de minerais e suas ligas no manto terrestre.
 
 
Instabilidades de rede funcionais em perovskitas naturalmente estruturadas
 
À temperatura (T) ambiente os compostos com acoplamento magneto-elétrico (ME) substancial são
muito raros e estruturas artificiais de alta qualidade baseadas em filmes finos são difíceis e
dispendiosas de produzir. Perovskites naturalmente estruturadas por camadas (PNEC) oferecem um
caminho mais barato para obter materiais com um elevado acoplamento ME à T ambiente. Estas redes
apresentam adicionalmente diversas funcionalidades, como expansão térmica negativa, e uma elevada
área de aplicabilidade a qual inclui a área de energia sustentável e saúde. O projeto tem como
definidas 2 metodologias complementares: 1) Usando as imensas potencialidades ainda não totalmente
exploradas das PNEC, este visa o desenvolvimento de novos materiais maximizando a resposta ME à
Temperatura ambiente. Manipularemos a acentricidade das PNEC explorando as rotações de octaedro
de oxigénio e o ordenamento de catiões. O estudo focar-se-á na incorporação de diferentes catiões
nas fases Ruddlesden-Popper como a de Ca3(Mn,Ti)2O7 e nas Perovskites Duplas do tipo AA`BMnO6. No
caso de filmes finos focar-se-á na aplicação de tensão como forma de ajuste dos parâmetros de rede
das diferentes fases cristalinas e das próprias interações elétricas e magnéticas. 2) Usando um
conjunto de técnicas complementares incluindo de sonda local, propomos estudos elucidativos sobre
o acoplamento entre os graus de liberdade de spin, carga e orbita, assim como o seu acoplamento
com modos de instabilidade da rede. Ao sondar localmente as estruturas e determinando a origem
microscópica por detrás do aparecimento espontâneo de ordem ferroelétrica estabeleceremos novas
estratégias e paradigmas para o desenvolvimento de novos materiais multifuncionais. Este estudo
será apoiado por simulações DFT.
 

Baterias de íons de metais alcalinos: novos materias para compor o ânodo

Materiais 2D têm sido amplamente investigados desde a identificação e manipulação de grafeno

esfoliado. Como resultado, um grande número de materiais 2D foram sintetizados e relatados. Além
disso, muitas dessas nanoestruturas poderiam ser usadas como blocos de construção em nanoescala
para funcionar como nanotijolos para montar estruturas complexas em níveis mesoscópicos ou
macroscópicos. Dentro deste contexto, heteroestruturas estáveis têm sido construídas por
empilhamento de monocamadas atômicas, ligadas entre si por interações fracas de longo alcance,
interações de van der Waals. Embora essas interações fora do plano sejam fracas, quando comparadas
às interações covalentes no plano, elas são fortes o suficiente para manter as pilhas juntas.
Diversas heteroestruturas à base de grafeno, como monocamadas de grafeno sanduichadas entre
monocamadas hexagonais de nitreto de boro, têm sido foco de várias investigações experimentais e
teóricas.  Entre os vários materiais bidimensionais investigados desde a descoberta do grafeno, um
candidato promissor para futuras aplicações em sistemas de armazenamento de energia, como as
baterias de íons de Li, é o siliceno, que é um silício 2D com estrutura em favo de mel, gap nulo
como o grafeno mas, ao contrário do grafeno, não é plano, pois apresenta uma  “topografia"
periódica encurvada. Devido à hibridização sp2-sp3 dos átomos de silício, o siliceno  é uma
estrutura deformada e tem uma superfície muito reativa para hidrogenação e fluoração, facilitando
a dopagem com átomos substitucionais, os quais modficam suas propriedades e podem transformá-lo de
um semimetal de gap nulo em um material semicondutor ou um metal. Essas estruturas foram
consideradas como potenciais candidatas para aplicações em várias áreas do conhecimento, como
eletrônica, fotovoltaica, dispositivos de armazenamento de energia, células combustível,
computação quântica e medicina. No caso das baterias, o lítio não é um elemento abundante na
Terra. Portanto, à medida que a demanda de lítio aumenta devido ao seu uso em novos aplicativos de
grande escala, ele pode se tornar escasso e seu preço tenderia a aumentar e, como consequência, o
consumo ficaria limitado. Portanto, há necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o custo das
baterias de íons de Li encontrando, por exemplo, novos materiais para a composição dos eletrodos
ou novas alternativas de baterias de íons, como as de sódio e de potássio, por serem elementos
mais abundantes e mais baratos que o lítio.