Density-density functionals and effective potentials in many-body electronic structure calculations

We demonstrate the existence of different density-density functionals designed to retain selected properties of the many-body ground state in a non-interacting solution starting from the standard density functional theory ground state. We focus on diffusion quantum Monte Carlo applications that require trial wave functions with optimal Fermion nodes. The theory is extensible and can be used to understand current practices in several electronic structure methods within a generalized density functional framework. The theory justifies and stimulates the search of optimal empirical density functionals and effective potentials for accurate calculations of the properties of real materials, but also cautions on the limits of their applicability. The concepts are tested and validated with a near-analytic model.Comment: five figure

Novel properties of the Kohn-Sham exchange potential for open systems: application to the two-dimensional electron gas

The properties of the Kohn-Sham (KS) exchange potential for open systems in thermodynamical equilibrium, where the number of particles is non-conserved, are analyzed with the Optimized Effective Potential (OEP) method of Density Functional Theory (DFT) at zero temperature. The quasi two-dimensional electron gas (2DEG) is used as an illustrative example. The main findings are that the KS exchange potential builds a significant barrier-like structure under slight population of the second subband, and that both the asymptotic value of the KS exchange potential and the inter-subband energy jump discontinuously at the one-subband (1S) -> two-subband (2S) transition. The results obtained in this system offer new insights on open problems of semiconductors, such as the band-gap underestimation and the band-gap renormalization by photo-excited carriers.Comment: 7 pages, 3 figures, uses epl.cls(included), accepted for publication in Europhysics Letter

Failed Fantasies in a South African Context: the Case of Modderfontein, Johannesburg

The (proposed) development of private sector-led, large-scale urban projects on the periphery of many African cities has drawn increased attention to the geographical breadth and potential consequences of the phenomena in recent years. This work demonstrates the speculative nature of many of these projects and their ‘world-class city’ aspirations, but also how such plans will exacerbate existing problems, including spatial inequality and environmental degradation. This paper, drawing on 50 interviews and extensive fieldwork, examines one such project in north-east Johannesburg, the Modderfontein New City. The paper responds to existing research and their calls for more grounded studies, and argues that given their distinct logics and developmental mechanisms, large-scale masterplanned edge cities can only truly be understood within the context of their place-specific urban landscapes, and that contrary to the prevailing arguments on this type of project, they do not always exist outside of ordinary governance structures. Supporting the (speculative) conclusions in earlier research, we demonstrate how the plans and early building looked to worsen spatial inequality and environmental problems. However, in highlighting how Modderfontein’s failure is partly the product of a strong local state unwilling to compromise on their own agenda in the face of elite-driven edge city developments, we argue such large scale projects in Johannesburg face hitherto under-researched disciplining processes that can disrupt or even derail projects

Exact-exchange density-functional theory for quasi-two-dimensional electron gases

A simple exact-exchange density-functional method for a quasi-two-dimensional electron gas with variable density is presented. An analytical expression for the exact-exchange potential with only one occupied subband is provided, without approximations. When more subbands are occupied the exact-exchange potential is obtained numerically. The theory shows that, in contradiction with LDA, the exact-exchange potential exhibits discontinuities and the system suffers a zero-temperature first-order transition each time a subband is occupied. Results suggesting that the translational symmetry might be spontaneously broken at zero temperature are presented. An extension of the theory to finite temperatures allows to describe a drop in the intersubband spacing in good quantitative agreement with recent experiments.Comment: 14 pages, 3 figure

Estará o futuro dos biofuels em risco?

A descida abrupta dos preços do brent a partir de 2014 promovida pela OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) teve efeitos nefastos no relançamento dos biofuels de segunda geração e na chamada Economia Verde. De facto, a implementação do aproveitamento de resíduos agroflorestais e a sua posterior conversão em Etanol Celulósico (EC) traria vantagens em termos de emprego local, para além de aspetos ambientais ligados às alterações climáticas e à descarbonização em curso. Este EC destinar-se-ia a ser adicionado à gasolina (blend) em proporções variáveis de acordo com a legislação em vigor em diferentes países ou blocos económicos. Por exemplo, nos EUA já foi aprovado a introdução do E15 (15% de biofuel + 85% de gasolina) para veículos fabricados a partir de 2001, embora esta norma não tenha sido ainda implementada. Neste contexto, quanto maior for a percentagem de biofuel adicionado, menor será a quantidade de gasolina utilizada, pelo que em países completamente dependentes da importação de energia a redução da dependência energética constitui per se um fator importante na balança de pagamentos. Por outro lado, diminui-se a emissão de CO2 contribuindo para atenuar os efeitos das alterações climáticas. Acresce que estes biofuels de segunda geração poderiam limitar a utilização de biofuels (etanol) a partir de fontes alimentares, como é o caso do milho em particular nos EUA e a beterraba e outros cereais no caso Europeu. O Brasil é uma notável exceção dado que o etanol tem origem na cana-de-açúcar e se excluirmos os FFV (Flex Fuel Vehicles) a mistura habitualmente utilizada no Brasil, é o E25. A produção de EC tem, contudo, um calcanhar de Aquiles chamado “custo de produção” pelo que o desinvestimento e a falência de grandes projetos ligados aos biofuels de segunda geração estão intrinsecamente relacionados com preços do brent estabilizados entre $50-60/barril. Continuar a drenar, como até aqui, subsídios gigantescos para a produção de biofuels e para as energias renováveis em geral, sem que se atinjam metas ambientais e económicas razoáveis, é algo que a opinião pública dificilmente aceitará, especialmente quando o EC assim obtido for mais caro que a própria gasolina. Por outro lado, o próprio Acordo de Paris sobre Alterações Climáticas de Dezembro de 2015 confirma que a energia não renovável continuará a ser a base do sistema global de energia durante muitas décadas. A utilização de resíduos agroflorestais para produção de EC faria todo o sentido com o brent a preços elevados, que alguns autores estimam em$100/barril. Aos custos atuais do brent o EC não é competitivo e mesmo que o seu custo de produção diminuísse, a OPEC poderia ajustar o preço do brent em baixa, invalidando assim o ganho que seria efémero. Iremos continuar a assistir à produção de etanol a partir de cereais com toda a controvérsia envolvente. Surgem assim os biofuels da terceira geração em que as algas têm um papel importante. A liquefação hidrotérmica é um processo ainda em estudo e em fase de desenvolvimento, mas fortemente incentivado pela União Europeia que prevê que o futuro reside neste processo de conversão, a par de um desenvolvimento da autonomia dos veículos elétricos e da produção de veículos cada vez mais eficientes em termos de consumo.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Estudo da dimensão das partículas de café torrado moído encapsulado através da difração a laser: Influência nos parâmetros físico-químicos da bebida

A indústria de café em cápsulas tem registado em Portugal um crescimento exponencial de vendas representando atualmente 60% do mercado. Este crescimento traduziu-se na necessidade das empresas inovarem em técnicas de otimização e reprodutibilidade dos parâmetros físico-químicos e organoléticos dos produtos. A distribuição de dimensão das partículas do café torrado moído influencia vários destes parâmetros de qualidade e constância dos produtos finais. A análise granulométrica, efetuada por torres de crivos, revela-se insuficiente para a caraterização eficaz dos produtos e análise do tamanho das partículas de café torrado moído. A avaliação da distribuição através da técnica de difração a laser, é uma técnica inovadora, só muito recentemente aplicada ao café, que foi aplicada na Kaffa, Galvão & Noronha Lda. para otimizar a fase de moagem e a padronização das caraterísticas físico-químicas e qualidade dos produtos finais. Foi comparada a capacidade para analisar diferentes blends, diferentes linhas de produção e moagens e a variabilidade dos produtos ao longo do tempo utilizando dois equipamentos, uma torre de crivos e um analisador de dimensão de partículas, por difração a laser Fritsch, com unidade de dispersão a álcool isopropílico. Foi efetuado o estudo da reprodutibilidade dos resultados e a otimização dos parâmetros de trabalho do analisador de partículas para caraterização e controlo de qualidade do produto café moído conduzindo assim a melhorias no processo produtivo e analítico. A técnica de difração a laser revelou-se particularmente eficaz, sobretudo nas moagens mais finas, permitindo separar as partículas de dimensão inferior a 250 μm, que ficam compactadas nos crivos, e obter curvas de distribuição de partículas com grande reprodutibilidade, para uma definição mais rigorosa da especificação técnica dos produtos. Neste trabalho verificou-se também a influência da moagem na extração dos compostos do café. Paralelamente avaliaram-se as características organoléticas e físico-químicas da bebida como o pH, o extrato aquoso e a concentração de fenóis. Pretende-se relacionar este conhecimento ao estudo da atividade antioxidante em curso, nos vários blends e estimar os benefícios para a saúde.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Pão: o tradicional versus “novas” formulações

O pão, do latim “pane”, é um produto alimentar que resulta da mistura de farinha de trigo ou outras, água e sal, com adição (pão levedado) ou não (pão ázimo) de levedura (Saccharomyces cerevisiae) ou fermento (bicarbonato de sódio), formando uma massa com uma consistência elástica, à qual é possível dar-lhe várias formas seguido de um processo de cozedura. Faz parte da dieta da maioria da população mundial e estima-se ser um dos produtos alimentares mais antigos. As razões para este sucesso, prendem-se com o facto de ser um alimento de baixo custo (acessível a todas as classes sociais), de fácil digestão (o que o torna como um alimento transversal quer na idade quer no estado de saúde do indivíduo), de fácil conservação, muito rico nutricionalmente e também de uma ampla versatilidade gastronómica. Nesta brevíssima comunicação, dar-se-á a conhecer a composição de diversas formulações (à base de farinha de trigo) com cariz artesanal, às quais se associam o perfil nutricional, organoléptico e eventualmente funcional. A farinha de trigo artesanal foi proveniente da Empresa PaniMafra – Indústria de Panificação Lda. As diferentes formulações tiveram a participação activa de alunos de Licenciatura em Bioquímica da FCT/UNL e da Licenciatura em Dietética da Esslei.info:eu-repo/semantics/publishedVersio