Palestrantes - VII Workshop da Pós-Graduação

Miltefosina (MTF) e anfotericina B (AmB), fármacos aprovados para o tratamento da leishmaniose, induzem rigidez da membrana em Leishmania amazonensis em concentrações que inibem o crescimento do parasita, conforme demonstrado por espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) com sonda de spin. Notavelmente, a rigidez induzida por MTF não se deve à sua interação direta com a membrana, pois períodos de incubação mais curtos aumentam a fluidez. No entanto, as medições realizadas após a exposição de curto prazo ao fármaco refletem condições anteriores ao desenvolvimento de um possível estresse oxidativo. A AmB causa rigidez da membrana, mas apenas em concentrações 100 vezes maiores do que aquelas que causam rigidez após 24 horas de exposição. Em contraste, a rigidez da membrana induzida por estresse oxidativo não foi observada em macrófagos, sugerindo que a produção de óxido nítrico por essas células pode mitigar o dano oxidativo.

Neste trabalho, foram empregados métodos de Monte Carlo quântico Variacional (VMC) e Monte Carlo quântico de Difusão com nós fixos (FN-DMC) para investigar os efeitos de correlação eletrônica na energia da molécula de benzeno no estado fundamental. Utilizando diversos funcionais da teoria do funcional da densidade (DFT) para as funções de onda tentativa, determinamos a influência desses funcionais nos cálculos de QMC. Nossos resultados de FN-DMC demonstram estimativas robustas e precisas da energia do estado fundamental, com uma energia de correlação média de aproximadamente -1,3877 a.u. e um desvio padrão de cerca de 0,0037 a.u., indicando uma sensibilidade mínima à escolha dos orbitais de DFT. Além de fornecer informações detalhadas sobre as energias de correlação eletrônicas e os potenciais de ionização, nossos resultados também ilustram a resiliência dos métodos FN-DMC em relação à escolha dos orbitais de DFT, sugerindo que a precisão dos cálculos não é significativamente comprometida por diferentes escolhas de funcionais de DFT. Esta robustez torna o método FN-DMC uma ferramenta poderosa para a exploração de sistemas eletrônicos complexos, permitindo uma compreensão mais profunda dos fenômenos de correlação em moléculas aromáticas. Acreditamos que os nossos resultados poderão ser úteis como referência para outras metodologias e seu uso em investigações futuras de sistemas químicos complexos.

Este estudo apresenta uma investigação detalhada, por meio de simulações de dinâmica molecular, das interações entre nanopartículas de ouro (Au144) funcionalizadas com ligantes carregados negativamente (SRCOO–)60 e positivamente (SRNH3+)60 em ambientes aquosos com diferentes composições iônicas [1]. Foram analisados sistemas contendo íons monovalentes (Na+, K+ e Cl–) e divalentes (Mg2+ e Ca2+), com variação tanto na concentração iônica quanto na quantidade de nanopartículas. A pesquisa concentra-se nas energias de interação coulômbica e de van der Waals, nos padrões e tempos de vida de ligações de hidrogênio, nas funções de distribuição radial e na mobilidade de íons e moléculas de água. Os resultados revelam diferenças marcantes nas interações entre nanopartículas–íons e nanopartículas–água, dependendo da carga superficial das nanopartículas e do tipo de íon presente. Tais diferenças influenciam significativamente a estabilidade das redes de ligações de hidrogênio e a dinâmica molecular. Este trabalho fornece subsídios importantes para o design racional de nanomateriais aplicáveis em nanotecnologia, ciência dos materiais e bionanotecnologia.

[1] Heikkila, E.; Gurtovenko, A. A.; Martinez-Seara, H.; Hakkinen, H.; Vattulainen, I.; Akola, J. Atomistic Simulations of Functional Au144(SR)60 Gold Nanoparticles in Aqueous Environment. J. Phys. Chem. C 2012, 116 (17), 9805−9815.

Neste trabalho, realizamos uma análise numérica de alta resolução para investigar a transição Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT) no modelo XY bidimensional na rede honeycomb. Combinamos simulações de Monte Carlo com simulated annealing e amostragem entrópica via algoritmo de Wang–Landau. Usando o módulo de helicidade de 2^a ordem (Υ) e de 4^a ordem (Υ₄) como parâmetros de ordem, estimamos a temperatura crítica via Finite Size Scaling com correção logarítmica. Obtivemos T_BKT=0,575(8) (SA) e T_BKT=0,576(3) (WL), valores significativamente inferiores ao previsto teoricamente (1\ ),  indicando que os argumentos teóricos utilizados nesta estimativa podem requerer revisão e que este problema necessita ser revisitado. Calculamos ainda a densidade de vórtices e a energia de formação de pares vórtice–antivórtice, resultando em 2μ=5,80J, a qual é menor que da rede quadrada, reforçando a maior instabilidade da rede honeycomb para sustentar a ordem de longo alcance. Nossos resultados fornecem uma referência numérica de alta precisão para o comportamento crítico do modelo XY nessa geometria [1,2].

[1] ANDRADE, F. E. F.; JORGE, L. N.; DA SILVA, C. J. Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in the XY model on the honeycomb lattice: a comprehensive Monte Carlo analysis. Physica Scripta, DOI: 10.1088/1402-4896/add62a, 2025.

[2] NIENHUIS, B. Exact critical point and critical exponents of O(n) models in two dimensions. Physical Review Letters, 49:1062–1065, 1982. DOI: 10.1103/PhysRevLett.49.1062, 1982.

Development and spectroscopy study of YPO4:Tm3+ nanopowders

The Y1-xTmxPO4 nanopowders were successfully synthesized via the coprecipitation method assisted by slow evaporation under basic conditions (pH= 10), yielding particles with an average length of about 26 nm ± 8 nm observed by Transmission Electron Microscopy images. The diffuse reflectance spectra (DRS) show higher reflectance of powdered samples in the visible range, and optical bandgaps (Eg) values were obtained using the Kubelka-Munk approach, which ranged from 4.5 to 4.7 eV, indicating an insulator nature. The powders displayed remarkably intense blue emission centred at 452 nm, originating from the 1D2 → 3H6 transition under 361.5 nm excitation. This emission was accompanied by a residual contribution from a near-infrared emission band at approximately 783 nm, which was attributed to the 1G4 → 3H5 and 3H4 → 3H6 transitions due to residual multiphonon decay and cross-relaxation mechanisms, respectively. The lifetimes of the 1D2 state range from 42 to 35 μs, displaying monoexponential behaviour as the concentration rises from 0.25% mol to 2% mol. The dipole-dipole interaction between ions is confirmed for blue emission using the Dexter model, which has a critical distance of ~ 24 Å. The same behaviour is also observed for the lifetimes from the 1G4 state, decreasing from 422 μs (0.25 mol. %) to 170 μs (2 mol. %), with a bi-exponential behaviour due to the more effective cross-relaxation mechanisms. The relative changes between 1D2 and 1G4 energy levels allow for tuning the emission colour from blue to cyan by adjusting the delay time. Additionally, the CIE chromaticity coordinates of steady-state PL spectra indicate that the samples have a colour purity of above 93 % for x > 0.01 in the deep blue region, indicating the Y1-xTmxPO4 nanopowders as a versatile blue to cyan emitter component for W-LED applications.

Supercapacitores destacam-se como dispositivos de armazenamento de energia que combinam alta potência, rápida taxa de carga e durabilidade. Tradicionalmente, sua eficiência depende principalmente das interações na interface entre eletrodos e eletrólitos. Neste trabalho, investigamos, por meio de simulações de dinâmica molecular, os efeitos da introdução de camadas condutoras internas em supercapacitores. Essa modificação estrutural cria novas interfaces, que resultam na formação de duplas camadas elétricas adicionais e na alteração da distribuição de íons e de campos elétricos no dispositivo. Os resultados obtidos revelam como os condutores embutidos influenciam tanto a capacitância quanto a eficiência energética, fornecendo uma compreensão em nível molecular dos mecanismos envolvidos. A partir dessas análises, destacamos o potencial da engenharia de interfaces como estratégia para otimização das propriedades eletroquímicas, indicando caminhos promissores para o desenvolvimento de supercapacitores mais eficientes e com maior versatilidade em aplicações tecnológicas. [1].

[1] DE ARAUJO CHAGAS, Henrique; FONSECA, Tertius Lima; COLHERINHAS, Guilherme. Modeling supercapacitors with integrated conductors via molecular dynamics: Optimization and impacts on energy efficiency. Journal of Power Sources, v. 656, p. 238100, 2025.

We investigate the Hatsugai-Kohmoto (HK) model on a square lattice, which describes both a Mott insulator at half-filling and a non-Fermi liquid phase on doping. Through the solution of this exactly solvable model with the inclusion of pairing interactions, we demonstrate the emergence of Strong pair-density-wave (PDW) fluctuations associated with center-of-mass momentum Q=(π,π) at finite temperatures for low dopings up to a critical doping and intermediate U interaction. We also confirm that a superconducting instability appears in the model within a wide regime of interaction U and doping parameter. Since it has been recently put forward that the metal-insulator transition of the HK model belongs to the same universality class as the Mott transition of the paradigmatic Hubbard model [1], our work may thus shed light on an interesting scenario regarding the emergence of a fluctuating PDW phase on doping a Mott insulator [2].

[1] Huang, E. W., La Nave, G., & Phillips, P. W. (2022). Discrete symmetry breaking defines the Mott quartic fixed point. Nature Physics, 18(5), 511–516. https://doi.org/10.1038/s41567-022-01529-8.

[2] De M. Froldi, I., Corsino, C. E. S. P., & Freire, H. (2024). Strong pair-density-wave fluctuations in an exactly solvable doped Mott insulator. Physical Review. B./Physical Review. B, 110(24). https://doi.org/10.1103/physrevb.110.245136.

Simulações de Dinâmica Molecular de Nanofibras Peptídicas Auto-organizadas E₂(SW)₆E₂: Implicações para a Liberação de Fármacos e o Design de Materiais Biomiméticos

Este trabalho investiga a dinâmica molecular da nanofibra peptídica E₂(SW)₆E₂, uma biomolécula em solução aquosa, caracterizada por contrastes hidrofílicos e hidrofóbicos. Por meio de simulações clássicas de dinâmica molecular, o estudo analisa as propriedades energéticas, estruturais e dinâmicas dessa nanofibra, com ênfase nas interações energéticas e nas ligações de hidrogênio (HB) entre peptídeo-peptídeo e peptídeo-água. As simulações de diferentes comprimentos de fibras indicam que modelos maiores apresentam maior estabilidade estrutural e tempos de vida mais longos das HBs, contribuindo para maior flexibilidade e integridade da estrutura. A análise do perfil de densidade de massa ao longo da nanofibra mostra variações locais (mas não nulas) na densidade. Esses resultados reforçam o potencial dessas estruturas para aplicações no transporte de íons e fármacos, devido ao núcleo hidrofóbico e à superfície hidrofílica. Assim, este estudo amplia a compreensão sobre interações moleculares em bionanomateriais auto-organizados em solução aquosa.

[1] Moore, A. N.; Hartgerink, J. D. Self-Assembling Multidomain Peptide Nanofibers for Delivery of Bioactive Molecules and Tissue Regeneration. Acc. Chem. Res. 2017, 50 (4), 714−722.

Raios Cósmicos Galácticos (GCRs), compostos majoritariamente por prótons e núcleos atômicos, são acelerados em remanescentes de supernovas ventos de pulsares, podendo alcançar energias até a faixa de PeV [1]. À medida que se propagam pelo meio interestelar, podem interagir com regiões densas de gás e poeira, como nuvens moleculares, produzindo partículas secundárias, incluindo fótons gama e neutrinos. Neste trabalho, empregamos o kit de ferramentas Geant4 Monte Carlo para simular a produção dessas partículas [2] a partir das interações dos GCRs com o meio denso no interior das nuvens. Nosso modelo incorpora parâmetros realistas da nuvem molecular de Perseus, considerando composição, temperatura e estrutura geométrica, a fim de investigar interações hadrônicas e eletromagnéticas em uma ampla faixa de energias (10 GeV – 100 PeV) e ângulos de incidência. Os resultados evidenciam as nuvens moleculares como fontes relevantes de emissões multimensageiras e contribuem para a compreensão da propagação dos raios cósmicos e da origem dos neutrinos [3,4].

[1] ROY, A.; JOSHI, J. C.; CARDILLO, M.; SARKAR, R. Interpreting the GeV-TeV gamma-ray spectra of local giant molecular clouds using GEANT4 simulation. JCAP, v. 08, p. 047, 2023. DA SILVA, A. F.;

[2] ROY, A.; JOSHI, J. C.; CARDILLO, M.; SARKAR, R. Interpreting the GeV-TeV gamma-ray spectra of local giant molecular clouds using GEANT4 simulation. JCAP, v. 08, p. 047, 2023.

[3] CHERNYSHOV, D.; CASELLI, P.; CHENG, K.; DOGIEL, V.; IVLEV, A.; KO, C. Interaction of cosmic rays with molecular clouds. Nucl. Part. Phys. Proc., v. 297–299, p. 80–84, 2018.

[4] GAGGERO, D.; et al. The gamma-ray and neutrino sky: A consistent picture of Fermi-LAT, Milagro, and IceCube results. Astrophys. J. Lett., v. 815, n. 2, p. L25, 2015.

A molecular dynamics study investigates graphene-based supercapacitors using ionic liquid [emim][BF4] mixed with water and methanol. The objective is to understand how these co-solvents modify the electric double layer (EDL) structure and energy storage performance. Structural analysis shows that both water and methanol significantly reorganize the EDL, with methanol exhibiting a strong interfacial affinity. Using a constant charge method, we calculated electrode potentials, capacitances, and gravimetric energy densities. Optimal performance was achieved with a 20% water mixture in low-voltage regimes (< 2.0 V), while the highest gravimetric energy density (6.25 J/g) was found with a 40% water mixture under a fixed potential difference of 2.5 V. Notably, methanol incorporation reduced device mass by 22%, demonstrating a dual benefit of enhanced energy density and material efficiency. These findings provide insights for the rational design of high-performance supercapacitors [1].

[1] de S. SILVA, Lucas; B.A. OLIVEIRA, Leonardo; FONSECA, Tertius; COLHERINHAS, Guilherme. Structural and electrochemical properties of graphene-based supercapacitors with water and methanol-co-solvated ionic liquids: a molecular dynamics study. Journal of Molecular Liquids, v. 434, p. 128041, 2025. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2025.128041.

Neste artigo, estudamos a dinâmica e a estabilidade de soluções localizadas em uma equação de Schrödinger não linear saturável com coeficientes de variáveis dependentes do espaço e do tempo. Utilizando uma abordagem variacional e simulações numéricas, analisamos os efeitos de diferentes configurações de potenciais externos. Nossos resultados revelam que a estabilidade das soluções é altamente sensível aos parâmetros de modulação, levando ao surgimento de regiões estáveis e instáveis alternadas em função da frequência de modulação. Essas descobertas fornecem insights valiosos sobre o controle de estruturas localizadas em sistemas de ondas não lineares, com potenciais implicações para guias de ondas ópticos, condensados de Bose-Einstein e outros meios não lineares [1,2].

[1] da Rocha, M.R., Avelar, A.T., Cardoso, W.B.: Localized solutions of inhomogeneous saturable nonlinear Schrödinger equation. Nonlinear Dyn. 111(5), 4769–4777 (2023). https://doi.org/10.1007/s11071-022-08104-z.

[2] Calaça, L., Cardoso, W.B.: Modulation of localized solutions in an inhomogeneous saturable nonlinear Schrödinger equation. Opt. Quant. Electron 49(11), 379 (2017). https://doi.org/10.1007/s11082-017-1214-1.

Understanding the quantum nature of the gravitational field is undoubtedly one of the greatest challenges in theoretical physics. Despite significant progress, a complete and consistent theory remains elusive. However, in the weak field approximation ---where curvature effects are small--- we can explore some expected properties of such a theory. Particularly relevant to this study is the quantum nature of gravitational waves, which are represented as small perturbations in flat spacetime. In this framework, a quantum description of these perturbations, as a quantum field, is feasible, leading to the emergence of the graviton. Here we consider a non-relativistic quantum system interacting with such a field (Figure 1). We employ the consistent histories approach to quantum mechanics, which allows us to frame classical questions in a quantum context, to define a fluctuation relation for this system. As a result, thermodynamic entropy must be produced in the system due to its unavoidable interaction with the quantum fluctuations of spacetime.

[1] MOREIRA, T. H. and CÉLERI, L.C.. Decoherence of a composite particle induced by a weak quantized gravitational field. Class. Quantum Grav. 41, 015006 (2023).

[2] SUNASI, Y. and HU, B. L.. Quantum and classical fluctuation theorems from a decoherent histories, open-system analysis. Phys. Rev. E 85, 011112 (2012).