M\"obius and twisted graphene nanoribbons: stability, geometry and electronic properties

Results of classical force field geometry optimizations for twisted graphene nanoribbons with a number of twists $N_t$ varying from 0 to 7 (the case $N_t$=1 corresponds to a half-twist M\"obius nanoribbon) are presented in this work. Their structural stability was investigated using the Brenner reactive force field. The best classical molecular geometries were used as input for semiempirical calculations, from which the electronic properties (energy levels, HOMO, LUMO orbitals) were computed for each structure. CI wavefunctions were also calculated in the complete active space framework taking into account eigenstates from HOMO-4 to LUMO+4, as well as the oscillator strengths corresponding to the first optical transitions in the UV-VIS range. The lowest energy molecules were found less symmetric than initial configurations, and the HOMO-LUMO energy gaps are larger than the value found for the nanographene used to build them due to electronic localization effects created by the twisting. A high number of twists leads to a sharp increase of the HOMO $\to$ LUMO transition energy. We suggest that some twisted nanoribbons could form crystals stabilized by dipolar interactions

Distance constraints on activation of TRPV4 channels by AKAP150-bound PKCα in arterial myocytes.

TRPV4 (transient receptor potential vanilloid 4) channels are Ca2+-permeable channels that play a key role in regulating vascular tone. In arterial myocytes, opening of TRPV4 channels creates local increases in Ca2+ influx, detectable optically as "TRPV4 sparklets." TRPV4 sparklet activity can be enhanced by the action of the vasoconstrictor angiotensin II (AngII). This modulation depends on the activation of subcellular signaling domains that comprise protein kinase C α (PKCα) bound to the anchoring protein AKAP150. Here, we used super-resolution nanoscopy, patch-clamp electrophysiology, Ca2+ imaging, and mathematical modeling approaches to test the hypothesis that AKAP150-dependent modulation of TRPV4 channels is critically dependent on the distance between these two proteins in the sarcolemma of arterial myocytes. Our data show that the distance between AKAP150 and TRPV4 channel clusters varies with sex and arterial bed. Consistent with our hypothesis, we further find that basal and AngII-induced TRPV4 channel activity decays exponentially as the distance between TRPV4 and AKAP150 increases. Our data suggest a maximum radius of action of ∼200 nm for local modulation of TRPV4 channels by AKAP150-associated PKCα

Molecular dynamics study of organic nanostructures and metallic nanowires

Orientador: Douglas Soares GalvãoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Neste trabalho utilizamos métodos de física computacional para descrever o comportamento estrutural de formação de cadeias atômicas lineares suspensas (LACs) (i ) e de uma estrutura orgânica sobre superfície metálica (ii ). Ambos os temas foram desenvolvidos sobre o ponto de vista de física computacional e comparados com resultados experimentais específicos provenientes da estreita colaboração em grupos experimentais. Desenvolvemos uma metodologia para estudo sistemático da formação de nanofios (i ) metálicos a partir de aglomerados (clusters) compostos por átomos puros (Au, Ag, Cu) e a partir de ligas bi-metálicas (Au-Ag). A metodologia se baseou nas equações de movimento de Newton (método de dinâmica molecular clássica) utilizando um potencial parametrizado de origem quântica, denominado potencial de ligações fortes com aproximação de segundos momentos (TB-SMA). Com a metodologia desenvolvida foi possível realizar um estudo estatístico da formação de cadeias atômicas lineares suspensas, a verificação de aglomerados até então somente vistos em estudos direcionados a clusters, a observação de defeitos de empilhamento e a previsão de novas estruturas. Estudamos aspectos da geometria de uma molécula orgânica denominada Violeta Lander (ii ) (VL) com métodos clássicos e semi-empíricos no vácuo. A VL é uma das moléculas da classe das moléculas de Lander. Após a descrição geométrica, colocamos a VL sobre uma superfície de Cu[110] para verificar posições e conformações de estabilidade através de métodos clássicos de mecânica molecular. Para entender o comportamento dinâmico da VL sobre uma superfície de Cu[110] utilizamos um método clássico de dinâmica molecular utilizando o potencial Universal Force Field (UFF). A relevância desta parte do trabalho reside no fato de investigarmos, pela primeira vez, um caso análogo ao efeito chave-fechadura não biológico estudado no ambiente experimental e teórico de simulação. Ambos os trabalhos nos remetem para o campo da nanociência, servindo de base para futuras aplicações em nanotecnologia, tais como contatos elétricos e interação de sistemas orgânicos sobre superfície metálicaAbstract: In this work we use tools of computational physics to describe the structural and formation behavior of metallic nanowires (i ) and an organic structure on metallic surface (ii ). Both subjects had been developed under computational physics point of view and compared to specific experimental data from our close collaborations with experimental and theoretical groups. In this part of the work we developed a methodology for systematic study of the formation of metallic nanowires (i ) from clusters composed by pure atoms (Au, Ag and Cu) and from bi-metallic alloys (Au-Ag). The methodology was based on the Newton equations of motion (traditional method of molecular dynamics) together with a parametrized potential of quantum origin, named Tight-binding potential with second moment approximations (TB-SMA). With the developed methodology it was possible to carry out a statistical study of suspended linear atomic chains formation from clusters and to predict new structures and defects, stacking faults, among others. We also studied aspects of the geometry of an organic molecule called Violet Lander (VL) (ii ) with classic and semi-empirical methods in vacuum and also deposited over copper [110]. The VL is one of molecules of the Lander molecules class. The great relevance of this part of the work is because we addressed and explained the rst non-biological lock-key eect in the experimental and theoretical environment. Both the works have a great nanoscience appeal, being one of its bases. It will have great importance in future applications of nanotechnology as electric contacts and organic-metallic interaction based devicesDoutoradoFísica da Matéria CondensadaDoutor em Ciência

Estudo da estrutura-atividade das Esterilquinolinas e Tetraciclinas através de descritores quânticos

Orientador: Douglas Soares GalvãoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Neste trabalho estudamos dois grupos de moléculas na tentativa de correlacionar a estrutura eletrônica com a atividade biológica. Um grupo é formado por inibidores da enzima integrase, necessária para replicação do HIV-1, e o outro grupo por inibidores da Escherichia Coli, uma das bactérias causadoras da diarréia. Em nossas investigações aplicamos a Metodologia dos Índices Eletrônicos (MIE) para verificar a correlação estrutura-atividade dos compostos. Em caráter de comparação e validação dos dados produzidos pela MIE utilizamos também algumas das metodologias mais usuais na área de reconhecimento de padrões: a Análise de Componentes Principais (PCA), Análise Hierárquica de Agrupamentos (HCA) e as Redes Neurais Artificiais. Após o desenvolvimento completo deste trabalho concluímos que a MIE tratou com êxito o problema de reconhecimentos de padrões relacionados à atividade biológica das moléculas estudadas. Em um passo mais especulativo propomos novos derivados de tetraciclinas e submetemos à previsão pelo modelo proposto no início da segunda parte do trabalho. Nesta segunda parte foi possível sugerir observando os resultados e os parâmetros da MIE alguns compostos, que apresentam características de inibidores da Escherichia Coli. Os resultados deste trabalho somam-se às diferentes classes de outros compostos já estudados, totalizando mais de 2000 compostos em que os mesmos descritores da MIE se mostraram eficientes na classificação biológicaAbstract: In this work we have studied two classes of molecular groups trying to establish correlations between their electronic structure and correlated biological activity. The first group contains integrase inhibitors, which are necessary to HIV-1 replication; the second group contains Escherichia Coli inhibitors, one bacterium which caused diarrhea. Electronic Index Methodology (EIM) was used in the Structure-Activity Relationship (SAR) analysis. In order to have an independent statistical validation, the data produced from EIM were contrasted with more standard pattern recognition methodologies: Principal Component Analysis (PCA), Hierarchical Cluster Analysis (HCA), and Artificial Neural Networks (ANN). Our results shown that EIM can be sucessfully use for pattern recognition. As in previous works for other organic families the EIM out performed PCA, HCA and ANN techniques presenting the same predictive power with a significant reduction of computational effort. In more speculative approach EIM was used to propose new tetraciclines derivatives. Our results with other class of compounds recently studied sum more them 2000 compounds where EIM have been proved very efficient for biological classificationMestradoFísicaMestre em Físic

Arco elétrico e energia incidente em sistemas elétricos industriais

Although the massive use of electricity in industry began at the end of the 19th century, the first electric arc thermal effects estimating method was only proposed in the 1980s. In the following decades, several works contributed to increase the knowledge about the phenomenon and to improve the methods to quantify it. The IEEE Std 1584 first edition was published in 2002, being the first incident energy calculation dedicated technical standard. This standard, which has become the industry most popular method, had its second edition published at the end of 2018, with significant changes. A new mathematical model was proposed, including parameters that were not measured before, in addition to long equations, which manual calculation may be considered impractical. In this context, this work presents an IEEE Std 1584-2018 method incident energy calculation script development and its application in two case studies. The first case study illustrates the parameter evaluation to carry out a low voltage controlgear incident energy study, ending with a comparison between the 2018 Edition results with those of the 2002 Edition. The second case study proposes a roadmap for carrying out an incident energy dynamic study that considers multiple sources and the rotating machines short-circuit contribution ac decrement, concluding with a comparison between the results considering the ac decrement with the results in which it is neglected, and a discussion of the situations in which the effort to carry out a dynamic study can be justified.Embora a utilização em larga escala da eletricidade na indústria tenha se iniciado no final do Século XIX, o primeiro método para estimar os efeitos térmicos do arco elétrico só foi proposto nos anos 80. Nas décadas seguintes, vários trabalhos contribuíram para o aumento do conhecimento sobre o fenômeno e para a melhoria dos métodos para quantificá-lo. Em 2002, foi publicada a primeira edição da IEEE Std 1584, sendo a primeira norma técnica dedicada ao cálculo de energia incidente. Esta norma, que se tornou o método mais popular na indústria, teve sua segunda edição publicada no final de 2018, com mudanças significativas. Um novo modelo matemático foi proposto, incluindo parâmetros que antes não eram avaliados, além de extensas equações, cujo cálculo manual pode ser considerado impraticável. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um script de cálculo da energia incidente pelo método IEEE Std 1584-2018 e sua aplicação em dois estudos de caso. O primeiro estudo de caso ilustra o levantamento dos parâmetros necessários para executar um estudo de energia incidente de um conjunto de manobra e comando de baixa tensão, finalizando com uma comparação entre os resultados da Edição 2018 com os da Edição 2002 da norma. O segundo estudo de caso propõe um roteiro para a realização de um estudo dinâmico de energia incidente que considera múltiplas fontes e o decremento CA da contribuição de curto-circuito de máquinas rotativas, concluindo com uma comparação entre os resultados considerando o decremento CA com os resultados em que ele é desprezado, e uma discussão sobre as situações em que o esforço para a realização de um estudo dinâmico pode se justificar