Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-ADLU2N
Tipo: Tese de Doutorado
Título: Aplicação de algoritmos genéticos: determinação de estruturas de clusters atômicos e liberação controlada de sistemas farmacêuticos
Autor(es): Domingos da Costa Rodrigues
Primeiro Orientador: Jadson Claudio Belchior
Primeiro membro da banca : Helio Anderson Duarte
Segundo membro da banca: Ricardo Wagner Nunes
Terceiro membro da banca: Julio Cesar Dillinger Conway
Quarto membro da banca: Josefredo Rodriguez Pliego Junior
Resumo: A previsão das estruturas atômicas de materiais é de suma importância. Isto se aplica com mais propriedade no caso de clusters já que estes sistemas exibem propriedades químicas e físicas substancialmente diferentes quando comparados com o interior dos sólidos (bulk). Uma compreensão plena das transformações estruturais que o cluster exibe em função do seu tamanho pode levar à descoberta de novos materiais com propriedades potencialmente úteis para aplicações tecnológicas. Obter informações estruturais dos clusters diretamente a partir dos experimentos é ainda um processo bastante difícil e por isso é necessário combinar resultados experimentais com modelagem teórica. O objetivo principal deste trabalho é utilizar algoritmos genéticos para explorar a superfície de energia potencial de clusters atômicos na busca das estruturas mais estáveis. Na primeira parte deste trabalho a metodologia introduzida foi a de triagem de estruturas atômicas com o algoritmo genético (pre-screening) seguido de reotimização: exploração inicial da superfície de energia potencial com um nível de teoria baseado no modelo semi-empírico de potential interatômico seguido da reotimização das estruturas determinadas com cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). Os cálculos de primeiros princípios foram realizados com duas implementações do DFT: uma implementação baseada na utilização do conjunto de funções de base, e outra baseada no método das diferenças finitas de alta ordem combinado com pseudopotenciais atômicos. A metodologia foi aplicada na determinação das estruturas de clusters de carbono em função do tamanho (3 - 25 átomos). Foram observadas transições topológicas com o aumento do tamanho do cluster: de cadeia lineares, passando por estruturas policíclicas até aos fulerenos. As propriedades eletrônicas e vibracionais dos clusters de carbono também foram determinadas com as duas implementações do DFT e comparadas entre si. Na segunda parte, uma versão simplificada do algoritmo genético foi acoplado diretamente com cálculos de primeiros princípios (níveis de teoria MP2/ECP e DFT) para explorar a superfície de energia potential de clusters bimetálicos de sódio - potássio em função do tamanho (4 - 9 átomos), evitando assim por completo os potenciais interatômicos de natureza empírica. A metodologia confirma a observação de que existe segregação dos átomos de potássio que tendem a migrar para a superfície, enquanto os átomos de sódio ocupam a região do caroço do cluster. Uma análise detalhada é realizada da transição morfológica 2D-3D-2D em função da composição para clusters com seis átomos. Para clusters de maior tamanho novas estruturas são antecipadas. Finalmente, uma outra versão do algoritmo genético é empregado no problema da liberação controlada de fármacos dispersos em matrizes poliméricas, como uma ferramenta auxiliar para o desenvolvimento e formulação de novos sistemas farmacêuticos. A ideia principal da metodologia é obter uma base de dados de combinações de propriedades físico-químicos de uma dada matriz que conduzem a taxas de liberação controlada do fármaco dentro dos limites terapêuticos pré-fixados. 
Abstract: Atomic structure prediction of materials is of much interest, especially for atomic clusters since they show different physical and chemical properties when compared to their bulk counterpart. Knowledge of their structural change as function of size may lead to the discovery of new nanostructured materials with interesting technological applications. Thestructure determination of atomic clusters directly from experiments is still rather limited, but some progress can be made upon comparison of the experimental data with theoretical modelling. The major goal of this work is to explore the potential energy surfaces of atomic clusters using genetic algorithms to find the most stable structures. In the first part of thethesis we introduce a method based on pre-screening with follow-up structure refinement: the potential energy surface is first sampled at an interatomic potential level, then the candidate structures are further reoptimized at the density functional theory (DFT) level. Two different ab-initio computational techniques are used: the real-space DFT calculation, using high-order finite differences and atomic pseudopotentials, and the DFT method based on Gaussian basis set. We applied the method in the structure determination of carbonclusters as function of cluster size (3 25 atoms). As the cluster size increases, topological changes emerge, ranging from linear chains and polyciclic graphene-like structures to fullerenes. We also determined and compared the electronic and vibrational properties of the carbon clusters with the two DFT techniques. In the second part of the thesiswe follow a different strategy for energy surface exploration, using the direct coupling of the genetic algorithm with electronic structure methods, bypassing completely the use of interatomic potentials. We investigated the structural properties of bimetallic alkali nanoalloys of sodium potassium as function of cluster size (4 9 atoms) with a simplified version of our original genetic algorithm where the individuals of the population are geometrically relaxed at the second-order Möller-Plesset perturbation theory, with effective core potential (MP2/ECP), and DFT theory levels. We confirm the previous theoretical identification of composition segregation in alkali clusters, specifically, in ourcase study, with the potassium atoms migrating to the surface of the clusters and the core regions preferably occupied by sodium atoms. We make a detailed analysis of the 2D3D2D morphological transition as function of composition for clusters with a total of six atoms. For larger clusters new structures are determined. The final part of the thesisconcerns the applicability of the genetic algorithm framework as a complementary tool for the development and formulation of controlled release pharmaceutical dosage forms. We specifically propose to use a mathematical model that best describes the drug release profile from a polymeric device to get, by inversion, the initial formulation parameters,such as the composition, device geometry and drug loading. We formulate the inverse problem in terms of an optimization problem for finding multiple solutions. Our aim is to offer a large data set of candidate device configurations for a targeted drug release profile to improve the systematic Design of Experiments (DoE).
Assunto: Físico-química
Algoritmos genéticos
Preparações de liberação controlada
Quimica quântica
Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-ADLU2N
Data do documento: 29-Fev-2016
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