Prof. Lucas Nicolao

Tenho experiência nas áreas de Física Estatística e Física da Matéria Condensada, em especial simulações de sistemas complexos, dinâmica fora do equilíbrio e transições de fase. No departamento de física e no programa de pós-graduação em física da UFSC atuo junto ao grupo de mecânica estatística.

Meus interesses em pesquisa se concentram em:

Formação de padrões em equilíbrio e fora do equilíbrio

Em uma classe muito ampla de sistemas físico-químicos, padrões espaciais razoavelmente regulares surgem espontaneamente como uma manifestação de equilíbrio térmico. Esses padrões formam texturas complexas, porém formadas essencialmente por faixas e bolhas em duas dimensões, e por camadas, tubos e esferas em três dimensões. Em geral o padrão é caracterizado por variações na densidade de matéria constituinte, ou por variações no parâmetro de ordem que descreve o sistema. Enquanto fases termodinâmicas de equilíbrio, esses fases são chamadas de fases moduladas. Entre sistemas que apresentam essa fenomenologia estão sistemas tão diversos quanto copolímeros de dibloco, microemulsões, sistemas Hall quânticos, supercondutores e filmes finos magnéticos.

Esses sistemas compartilham entre si uma característica comum para favorecer tal fenomenologia: a presença de interações competitivas atuando em diferentes escalas de comprimento. No caso dos filmes magnéticos, momentos magnéticos interatuam tanto via interações de troca, quanto dipolar. Se a primeira (ferromagnética) favorece o alinhamento dos momentos magnéticos vizinhos, a segunda (anti-ferromagnética) tem efeito contrário, e embora seja muito mais débil enquanto força, atua em grandes escalas e portanto sobre um número muito grande de momentos magnéticos. O compromisso entre essas duas forças é acomodado energeticamente pela formação de um padrão regular a campo com um comprimento de onda característico. Se o campo magnético aplicado é nulo, o padrão espacial é formado por faixas intercalando magnetizações positivas e negativas perpendicularmente ao plano. Se o campo magnético aplicado é suficientemente forte, o padrão espacial é formado por bolhas de magnetização oposta ao campo. Em sistemas de partículas com interações puramente repulsivas, a presença de um mínimo em um vetor de onda diferente de zero na transformada de Fourier do potencial de interação de pares garante a formação da padrões espaciais, e as fases termodinâmicas associadas denominadas mesofases, incluindo os cristais de clusters.

Em duas dimensões prevalecem texturas espaciais dominadas por faixas e bolhas. Em ambos casos, padrões perfeitamente ordenados (cristalinos) são observados a temperatura nula, caracterizados por ordem posicional e orientacional. Em altas temperaturas, a fase desordenada corresponde a um líquido de faixas ou de bolhas. No entanto, dependendo da natureza das flutuações térmicas, fases de ordem intermediária podem ser observadas a temperatura finita. É o caso da fase nemática em padrões de faixas, e a fase hexática no caso dos padrões de bolhas. Devido à relevância não-trivial das flutuações em baixa dimensionalidade, investigar a natureza e estabilidade dessas fases intermediárias constitui um problema em aberto. Também relevante é a investigação dos mecanismos que permitem a ocorrência da incomum transição inversa – quando uma fase mais simétrica (desordenada) surge em temperaturas mais baixas que a fase menos simétrica (ordenada).

Por fim, o tipo de modelagem usado para tratar esses problemas permite desenvolver estudos em outras áreas da física, como no desenvolvimento de turbulência fraca e instabilidades intrínsecas em sistemas tipicamente fora do equilíbrio (como frentes de propagação de chama laminar e convecção de Rayleigh-Bénard).

Nanopartículas

A inversão da magnetização de nanopartículas de domínio único, causada por flutuações térmicas no sistema, tem forte apelo tecnológico, como no armazenamento de dados e terapias contra o câncer. As partículas de domínio único, por apresentarem este comportamento instável da magnetização, são chamadas de partículas superparamagnéticas, já que, em função do seu grande momento magnético, elas se comportam como paramagnetos gigantes. O superparamagnetismo é observado quando a energia térmica é da mesma ordem de grandeza da energia de anisotropia de forma das nanopartículas, sendo assim, existe uma temperatura acima da qual a partícula não mais terá estabilidade na magnetização, chamada de temperatura de bloqueio. É interessante investigar os efeitos nas propriedades térmicas e magnéticas, como a temperatura de bloqueio e o campo magnético coercitivo, entre outras, podem ser modificados devido a interação dipolar entre nanopartículas, o arranjo espacial das nanopartículas (regular/aleatório, com ou sem diluição), as diferentes anisotropias de forma, e por sua distribuição de tamanhos (que influencia diretamente a magnitude de seu momento magnético).

Uma outra aplicação de nanopartículas é a catálise. Grande parte dos catalisadores suportados utilizados na indústria petroquímica são compostos de partículas ativas, de dimensões nanométricas, dispersadas sobre um suporte com imensa área superficial. Nanopartículas monometálicas de metais de transição e a  adição de um segundo metal a esses sistemas metálicos as tornam particularmente relevantes a medida que é possível obter um controle mais refinado sobre suas as atividades catalíticas e porque apresentam uma grande porcentagem de átomos na sua superfície. Sobre certas condições de temperatura e ambiente, a estrutura de nanopartículas bimetálicas se torna segregada em um arranjo caroço-casca, onde um dos metais se segrega a superfície enquanto o outro fica confinado no interior da nanopartícula. Essa geometria, além de possibilitar um ajuste fino para as propriedades eletrônicas e portanto da atividade catalítica do metal da superfície, permite buscar soluções economicamente mais viáveis aos metais nobres tipicamente utilizados na catálise, por exemplo, substituindo o metal nobre presente no caroço por outro mais comum, como ferro ou cobre. Por outro lado, o processo de contaminação ou envenenamento do catalisador por compostos de enxofre existentes no petróleo resultam na perda de sua eficiência. Nesse caso é interessante compreender e modelar através processos termicamente ativados, no âmbito das teorias de oxidação, a observação experimental da contaminação por enxofre de nanopartículas bimetálicas de PtCu e PtPd, que pode ser revertida por um tratamento térmico (temperaturas mais altas) sob uma atmosfera redutora. Também é interessante compreender e modelar o processo de fabricação de nanopartículas metálicas de Pt e Cu em meio líquido, com análise dos resultados do monitoramento da formação dessas nanopartículas com base nas teorias de nucleação, Ostwald rippening e agregação, assim como estudar o efeito de surfactantes em modelos simples para crescimento de cristais.

Sistemas complexos

O crescimento da Internet e da rede mundial de computadores (WWW), assim como da presença massiva de tecnologias sem fio e portáteis, levou a um aumento astronômico nas últimas duas décadas no volume de dados disponíveis sobre comportamento social, desde mobilidade até dinâmica de opiniões, relacionamentos e tendências. De fato, esses dados são hoje coletados continuamente e analisados, e a possibilidade de modelar certos aspectos da dinâmica social se torna atraente por várias razões do ponto de vista prático (marketing, publicidade, política), e uma quantidade notável de literatura foi produzida nesse sentido em áreas não tradicionalmente ligadas às ciências sociais, como a física estatística e a ciência da computação. Nesse contexto, particularmente atraentes são os dados do Twitter relacionados a dinâmica de opiniões e orientações políticas. Usuários de redes sociais como o Twitter podem estabelecer conexões entre si por diferentes mecanismos de funcionamento da rede social. Essa conexão entre usuários pode se dar de maneira muito semelhante às redes de relações interpessoais que permeiam a vida privada e pública de um indivíduo, ou às redes comerciais entre empresas, a Internet, redes neurais e metabólicas, redes de distribuição como os vasos sanguíneos, rotas aéreas ou as rotas de entrega de correspondência, redes de citações entre artigos científicos, e muitos outros exemplos. Essas redes (ou grafos) que são abundantes no mundo podem ser definidas matematicamente como um conjunto de itens, que chamaremos de vértices ou às vezes nós, com conexões entre eles, muitas vezes chamadas arestas. O grau de um vértice é o número de conexões que ele possui. A estrutura dessas redes pode ser estática, as conexões e número de nós não mudam, ou dinâmica. E essa estrutura pode ser caracterizada pela sua topologia, se suas conexões são regulares ou aleatórias, e outras propriedades como distribuição de grau, coeficiente de agrupamento e menor caminho médio. Redes sociais em geral são aleatórias. O interesse nesse tipo de projeto é tentar entender como modelos simples de física estatística podem ser usados ou não para descrever dados de redes sociais reais, e estudar o comportamento cooperativo e unanimidade de tais modelos definidos em redes aleatórias interagentes.

Outro interesse no âmbito de sistemas complexos são transições de fase fora do equilíbrio térmico.