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Engenharia de Nanossensores, Nanodispositivos e Nanossistemas

Engenharia de Nanossensores, nanodispositivos e nanossistemas

 

 As atividades dessa linha de pesquisa exploram o estudo, projeto, desenvolvimento e fabricação de micro e nanoestruturas para a criação de dispositivos com aplicações em diferentes áreas. Nesta linha de pesquisa, focam-se em dispositivos, sensores e atuadores, como por exemplo, aqueles baseados em fibras óticas, filmes finos, materiais funcionais e smart-materials. O desenvolvimento de dispositivos miniaturizados baseados em micro e nanocanais também são investigados para estudos como de reatores, trocadores de calor, misturadores e separadores. Essa linha também inclui estudos de modelagem e simulação das características intrínsecas de escoamento de fluidos em nanoescala e suas implicações tecnológicas no desenvolvimento de novos produtos para aplicações em química, física, materiais e ciências biológicas e biomédicas. Ainda são investigadas metodologias de síntese de nanoestruturas e nanossistemas carreadores de bioativos com alta homogeneidade e reprodutibilidade, visando contribuir com a viabilização de produtos nanotecnológicos.

 

 Projetos de Pesquisa:

 

Captação e armazenamento de energia através de nanogerador triboelétrico e supercapacitor à base de nanotubos de carbono

Descrição: A internet das coisas (IDT) é uma rede onde dispositivos eletrônicos conversam entre si possibilitando a captação, transferência e utilização de informações de maneira integrada. O mercado de roupas inteligentes tem uma grande participação na IDT, uma vez que tecnologias aplicadas a peças de roupas podem coletar dados e informações biológicas de forma pouco invasiva e podem ser utilizadas para o monitoramento de funções biológicas e na prevenção de doenças. Assim, torna-se necessário o desenvolvimento de dispositivos que gerem a armazenem energia para o funcionamento desta eletrônica. Este trabalho será composto de duas etapas. A primeira tem como objetivo utilizar nanogeradores triboelétricos para transformar a energia mecânica do movimento corporal em energia elétrica utilizando eletrodos à base de tecido de algodão e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT). A segunda etapa consiste em armazenar a energia elétrica gerada em um supercapacitor flexível também à base de tecido de algodão e MWCNT. Busca-se estudar também outros materiais que possam melhorar tanto a captação quanto o armazenamento de energia. Os dispositivos desenvolvidos serão caracterizados morfologicamente por microscopia eletrônica, por medidas elétricas corrente x tensão, resistividade e eletroquimicamente por voltametria cíclica, capacitância por área, estabilidade cíclica, carga e descarga galvanostática, diagramas de Nyquist e Ragone

Professor responsável: Sérgio Álvaro de Souza Camargo Jr.

 

 

Análise experimental de injeção alternada de água e gás (WAG) para os reservatórios carbonáticos do pré-sal

Descrição: Esse projeto propõe estudos experimentais e de modelagem que visam aumentar o fator de recuperação dos campos de petróleo brasileiros (com foco inicial nos campos do pré-sal) através de técnicas de recuperação avançada que envolvam o uso direto de CO2, além de outras técnicas de recuperação avançada miscível e imiscível. Técnicas de recuperação avançada de petróleo que utilizam o CO2 como fluido de injeção serão investigadas visando aumentar do fator de recuperação dos reservatórios carbonáticos do pré-sal brasileiro. O projeto envolve recuperação avançada à base de água (por exemplo, injeção de água carbonatada, água com salinidade modificada – smart water) e recuperação avançada à base de gás (por exemplo, injeção de CO2, injeção alternada de água e CO2, injeção simultânea de água e CO2). Ainda, pretende-se avaliar o efeito de nanofluidos compostos por diferentes nanopartículas na eficiência de recuperação em dispositivos microfluídicos com geometrias dos microcanais que mimetizem os meios porosos do Pré-Sal.

 Professores responsáveis: Tiago Albertini Balbino

                                                 Jose Luis Drummond Alves

 

 

Desenvolvimento e Caracterização de Nanopartículas Biopoliméricas

Biodegradáveis

Descrição: Descrição: Este projeto tem como objetivo desenvolver e caracterizar nanopartículas biopoliméricas e biodegradáveis sintetizadas por diferentes processos de nanoprecipitação. As nanopartículas, tanto isoladas quanto empregadas em filmes de biopolímeros, serão compostas por amido de milho com a incorporação adicional de lignina e fármacos. O amido de milho é um biopolímero natural produzido por muitas plantas como fonte de energia armazenada, é renovável, biodegradável e apresenta boa propriedade de bio-adesão. Devido aestas propriedades, o amido tem sido amplamente utilizado em várias aplicações, como bolsas hidrossolúveis para inseticidas, excipientes para comprimidos, transportadores de medicamentos e em embalagens de alimentos. As nanopartículas preparadas a partir desses polissacarídeos naturais possuem vantagens como a baixa toxicidade, biocompatibilidade, biodegradabilidade, além de serem abundantemente disponíveis na natureza. Uma das formas de obter essas nanopartículas é por processos de nanoprecipitação, que envolvem a mistura sucessiva e gradual da solução polimérica a um não-solvente, o que lev aà precipitação de partículas na escala nanométrica. Os parâmetros do processo de nanoprecipitação, como a proporção de amilose/amilopectina do amido e concentração das soluções poliméricas, são importantes fatores que influenciam as características físico-químicas, estruturais e morfológicas das nanopartículas. Adicionalmente ao estudo desses parâmetros, a formação de filmes de amido de milho contendo as nanopartículas será avaliada com a incorporação de um fármaco modelo. Outros polímeros naturais, como a lignina, também serão explorados visando aprimorar as propriedades dos filmes. Serão avaliadas as propriedades mecânicas, a rugosidade e a hidrofilicidade dos filmes. Os sistemas serão caracterizados por MEV, MET, AFM, Raman e FTIR para o estudo da morfologia das nanopartículas, para observação da incorporação dos fármacos e da lignina na matriz polimérica e para o estudo do arranjo estrutural das nanopartículas nos filmes.

Professores responsáveis: Renata Antoun Simao

                                               Tiago Albertini Balbino

 

 

 

Dispositivos nano e microfluidicos: modelagem, fabricação e aplicações

Descrição: O presente projeto visa o pleno estabelecimento de uma nova área de pesquisa em Micro e Nanofluidica na COPPE/UFRJ, que teve um impulso significativo a partir da criação do Laboratório de Nano e Microfluidica e Microssistemas, LabMEMS, em 2011. A partir da infraestrutura inicialmente montada, foram implantadas quatro plataformas de micro-fabricação e tres plataformas de caracterização não-intrusiva, que conduziram aos primeiros trabalhos e teses, bem como às cooperações internacionais e nacionais desejadas e necessárias. Os primeiros estudos foram focados na fabricação, caracterização e testes de micro-trocadores de calor, micro-dissipadores térmicos de nanocompósitos, micro-misturadores e micro-reatores, dentro das possibilidades de micro-fabricação e experimentação até aqui disponiveis. Esta linha consolida os desenvolvimentos teóricos e experimentais a serem perseguidos para o amadurecimento dessa área não só na COPPE/UFRJ, como também nas demais instituiçõescolaboradoras que possam se beneficiar dessa estrutura de micro-fabricação e caracterização, para análise de fenômenos de transporte na micro e nano-escalas e suas aplicações. Para tanto, além dos estudos fundamentais essenciais, são propostas novas aplicações desafiadoras que motivarão o dominio das ferramentas disponiveis, bem como de novos equipamentos e metodologias a serem introduzidos ao longo do projeto.

Professor responsável: Carolina Palma Naveira Cotta

 

Métodos híbridos em fenômenos de transporte na micro e Nanoescalas

Descrição: A linha de pesquisa autóctone em métodos híbridos numérico-analíticos para problemas em fenômenos de transporte, nucleada na COPPE/UFRJ e progressivamente adotada em diversos outros grupos no país, tem cerca de trinta anos de progressos e realizações no estabelecimento de resultados benchmark e algoritmos alternativos na simulação em convecção-difusão, com reconhecimento acadêmico internacional e aplicações no setor produtivo. No Programa de Engenharia da Nanotecnologia é enfatizada a otimização de um código computacional automático e aberto, o código UNIT (Unified Integral Transforms), visando a facilitação e ampla disseminação da técnica de transformação integral em convecção-difusão em múltiplas escalas. O projeto trata de um novo algoritmo, combinando a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT) com uma estratégia de formulação de domínio único, permitindo obter soluções hibridas numérico-analíticas para uma ampla classe de problemas lineares e nãolineares, definidos em configurações complexas e geometrias irregulares em micro e nano-escalas. O conceito é reescrever as equações de movimento e energia para os diferentes sub-domínios do problema sob a forma de uma formulação de domínio único, mediante a utilização de coeficientes variáveis espacialmente, que representem a transição dessas regiões, que depois é tratada pela GITT. Problemas de autovalor contendo os coeficientes variáveis nas coordenadas espaciais são então propostos para fornecer a base de expansão em autofunções, que recuperam os comportamentos representados nos coeficientes espacialmente variáveis da formulação em domínio único. Assim, a solução de um complexo sistema acoplado de equações diferenciais parciais é evitada e, em vez disso, realizada por meio de uma única transformação integral, a partir de um problema de autovalores de uma formulação única.

Professor responsável: Carolina Palma Naveira Cotta

 

 

Microfluídica para o encapsulamento de esferóides de células tronco em hidrogéis nanoestruturados para aplicações em medicina regenerativa

Descrição: O estudo de diversas funções de tecidos celulares tem sido aperfeiçoado com o desenvolvimento de sistemas de cultura tridimensionais in vitro, como por exemplo, os esferóides celulares autoagregados. O encapsulamento desses sistemas permite a bioimpressão de células vivas para aplicações promissoras em medicina regenerativa e engenharia de tecidos.  Entretanto, processos convencionais geralmente resultam em cápsulas heterogêneas e com baixa reprodutibilidade, inviabilizando sua aplicação. O encapsulamento de esferóides em matrizes poliméricas de hidrogel por meio de dispositivos microfluídicos oferece inúmeras vantagens, como simplicidade no manuseio e alta reprodutibilidade, o que permite a produção de microcápsulas homogêneas e monodispersas. Dispositivos microfluídicos manipulam pequenas quantidades de fluidos em plataformas miniaturizadas, cujas características particulares de escoamento são capazes de produzir emulsões múltiplas com propriedades físico-químicas altamente ajustáveis. Nesse sentido, esse trabalho pretende investigar o desenvolvimento e a fabricação de de esferóides celulares escapsulados por meio de dispositivos microfluídicos baseados em gotas. Hidrogéis nanoestruturados serão utilizados afim de conferir à membrana semi-permeável dos encapsulados propriedades físico-químicas, mecânicas e biológicas aprimoradas, explorando interações entre diferentes nanopartículas e a matriz polimérica hidrofílica. Assim, esferóides encapsuladas em hidrogéis poderão ser utilizadas para a bioimpressão de estruturas celulares em formas definidas para avanços nas áreas de engenharia de tecidos e medicina regenerativa.

Professores responsáveis: Carolina Palma Naveira Cotta

                                               Tiago Albertini Balbino

 

 

Nanossensores a fibra óptica baseados em Rede de Bragg para medida de H2S e vazão de Flare

Descrição: Neste projeto objetiva-se ao desenvolvimento de nanossensores a fibra óptica baseados em Redes de Bragg (FBG) e nanofilmes para detecção de H2S presentes nas condições operacionais do processo químico do refino de planta de gás natural bem como a medida de vazão de gás de queimadores, com alta sensibilidade, elevada faixa dinâmica e imunidade à composição do fluido. As atividades deste projeto se concentram em duas vertentes. A primeira consiste em desenvolver sensores a fibra óptica para gases baseados em pós e filmes de óxidos e caracterizá-los em fase cristalográfica, microestrutura, área superficial e capacidade de adsorção de diversos gases. Serão superfícies nanoestruturadas produzidas em loco. Após as caracterizações iniciais serão realizadas as deposições e as caracterizações dos filmes, aplicando esses

produtos nas fibras para confecção dos nanossesnsores. A segunda vertente baseia-se no desenvolvimento de sensores ópticos para medida de vazão em flares baseados em tecnologia de Redes de Bragg. Serão desenvolvidos sensores de fibra óptica com a tecnologia de Redes de Bragg tendo como base três princípios físicos: vazão mássica por variação de temperatura, vazão volumétrica por inferência óptica e correlação cruzada e método não-intrusivo por acústica passiva e correlação cruzada

Professor responsável: Marcelo Martins Werneck