Análises teóricas e simulações aplicadas a estratégias racionais de design de materiais nanoestruturados : Theoretical analysis and simulations applied to rational design strategies of nanostructured materials

Esse documento apresenta uma colecao de trabalhos realizados dentro do amplo campo de materiais nanoestruturados, focando-se em descricoes teoricas analiticas e simulacoes computacionais de diversos novos materias desse tipo. Uma nova fibra supereslastica e condutora e reportada. Essa fibra altamente esticavel (ate 1320%) e criada envolvendo-se um nucleo cilindrico de borracha com uma camada de folha de nanotubos de carbono. O material resultante exibe uma interessante estrutura de enrugamentos hierarquicos na sua superficie, o que lhe garante propriedades eletricas uteis como conservar a sua resistencia constante enquanto esticada. Adicionando-se mais camadas de borracha ou nanotubos podemos obter aplicacoes como sensores de movimento ou deformacao, atuadores/musculos artificiais ativados por corrente ou temperatura e operados reversivelmente por um mecanismo de acoplamento entre tensao e torcao. Nos explicamos suas propriedades de conducao eletrica e os fenomenos fisicos envolvidos em cada uma dessas aplicacoes. Tambem desenvolvemos um novo metodo para o desenho racional de polimeros molecularmente impressos usando dinâmica molecular para simular o processo de impressao molecular e a analise subsequente utilizando experimentos de cromatografia simulada. Obtivemos com sucesso a primeira evidencia teorica do mecanismo de impressao exibindo afinidade e seletividade para a substância alvo 17-beta-estradiol. Desenhamos e simulamos uma nova estrutura com formato de piramide em kirigami de grafeno, composta de uma folha de grafeno cortada em um padrao especifico a fim de formar uma pirâmide quando sofre tensao na direcao normal ao plano. Nos calculamos a resposta dessa estrutura a uma carga estatica, quando ela age como uma mola de proporcoes nanometriacs. Tambem, utilizando simulacoes de dinâmica molecular de colisoes balisticas, constatamos que a resistencia desse material a impactos e ainda maior que de uma folha de grafeno puro, sendo ainda mais leve. Um novo metodo de reforcar fios de nanotubos de carbono, chamado ITAP, tambem e reportado. Esse metodo foi capaz de melhorar a resistencia mecanica do fio em ate 1,5 vezes e torna-lo muito mais resistente ao ataque de acido quando comparado com um fio nao tratado. Utilizamos simulacoes de dinâmica molecular para testar a hipotese de que esse tratamento e suficiente para gerar ligacoes covalentes entre as paredes externas de nanotubos diferentes, o que seria responsavel pelas propriedades do material. Aplicamos um algoritmo genetico modificado ao problema do folding de proteinas em um modelo de rede 3D HP. Testamos o algoritmo utilizando um conjunto de sequencias de teste que tem estado em uso pelos ultimos 20 anos na literatura. Fomos capazes de melhorar um dos resultados e demonstramos a aplicacao e utilidade de operadores nao canonicos que evitam a convergencia prematura do algoritmo, sendo eles o operador de compartilhamento e efeito maternal. Abstract