Programa de Internacionalização da Universidade Federal Fluminense

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Inovação tecnológica de processos e produtos, otimização de sistemas e serviços, nanociências, computação cientifica e materiais inteligentes

Inovação tecnológica de processos e produtos, otimização de sistemas e serviços, nanociências, computação cientifica e materiais inteligentes

Descrição da área temática e objetivos:

O tema foi escolhido em função do grande expertise existente hoje nos programas de pós-graduação da UFF considerados de excelência nas áreas das ciências exatas e da terra e tecnológicas, destacando aqui grupos da Física, Química, Geociências, Geografia e Computação, todos programas de Nota 6 na CAPES e ainda alguns grupos destacados da Matemática e de Ciências Aplicada a Produtos da Saúde, ambos Nota 5. O tema permite abrigar muitos projetos de destaque da UFF, com grandes parcerias internacionais envolvendo centros de renome como o Trinity College na Irlanda, Universidade de Upsala na Suécia, Centro Internacional de Materiais de Madrid, na Espanha, Florida State University, University of Notre Dame, Michigam Tecnological University, Massachusetts Institute of Technology, nos EUA, Grenoble e Sorbonne, na França, entre muitos outras instituições renomadas internacionais. Sendo naturalmente uma área de forte projeção internacional, pela natureza intrínseca das atividades de pesquisa das áreas de ciências duras, a UFF encontrou neste tema amplo, a possibilidade de auxiliar o fortalecimento de grupos de pesquisa já bem consolidados e onde já há parcerias internacionais com interesse em incrementar as ações de mobilidade docente e discente. O tema proposto viabiliza também atividades conjuntas e interdisciplinares que poderão se servir de laboratórios multiusuários para fortalecer parcerias internas e compartilhar visitas internacionais de forma mais racional e coletiva.

Projetos ligados à síntese, caracterização e modelagem de materiais de diferentes naturezas, muitos deles com perspectivas de aplicações inovadoras foram apresentados para compor o Tema proposta na UFF. Uma das ideias é a criação de um Centro Internacional de Materiais Avançados, no espaço do Instituto de Física que dispõe hoje de um prédio moderno, com auditório, espaço para eventos, salas de visitantes e laboratórios multiusuários com equipamentos de nova geração, como microscópios eletrônicos, espectroscopia Raman, Raio X, entre outros. O Centro Internacional de Materiais Avançados acolheria diferentes escolas, mini-cursos e eventos ligados à pesquisa na área, envolvendo os diferentes programas de PG associados ao tema geral e possibilitando uma maior integração entre os seus programas e os parceiros convidados internacionais de forma mais integrada e econômica e permitindo que discentes de vários grupos tivessem oportunidades mais frequentes de contatos com pesquisadores externos.

Projetos:

    1. Ambientes e Redes Elétricas Inteligentes: Sistemas Escaláveis, Robustos e Seguros
    1. Busca Sintética de Novos Isósteros da MIRA-1 e MIRA-3 Inibidores ou Reversores da Agregação da Proteína de Supressão Tumoral p53 e de suas Parálogas (p63 e p73) como Alvo para Terapia do Câncer
    1. Desenvolvimento de novas tecnologias para a inovação em educação e otimização de processos e produtos das indústrias de software e biotecnologia.
    1. Gerência de Recursos em Nuvens para Execução de Aplicações de Alto Desempenho
    1. Materiais Avançados
    1. Novos Materiais Moleculares
  1. Química Computacional como Ferramenta Estratégica para o Desenvolvimento de Novos Materiais Funcionais

Descrição dos Projetos:

  • 1. Ambientes e Redes Elétricas Inteligentes: Sistemas Escaláveis, Robustos e Seguros

Este projeto apresenta uma investigação abrangente sobre tolerância a falhas e robustez para comunicações em Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids) e em Ambientes Inteligentes (Ambient Intelligence). A infraestrutura de medição avançada (Advanced Metering Infrastructure) é uma das principais aplicações em Smart Grids e várias referências discutem os requisitos de escalabilidade e de segurança para o seu correto funcionamento. Ambientes inteligentes compreendem funções de sensoriamento e de atuação para proporcionar uma melhor qualidade de vida em cenários de casas inteligentes e edifícios inteligentes. Os dispositivos para Internet de Coisas (IoT) medem temperatura, umidade, luminosidade, ocupação, nível de ruído, qualidade do ar entre outras variáveis e atuam sobre lâmpadas inteligentes, aquecimento de refeições, atividade e potência do sistema de ar condicionado etc. para melhorar a qualidade de experiência dos usuários. Embora, de forma isolada, os requisitos de escalabilidade, robustez e segurança de cada dispositivo e de cada aplicação não sejam elevados, a escala e a densidade dessas redes tornam o problema desafiador. Além disso, qualquer tempo de inatividade em redes Smart Grid é prejudicial, o que sugere fortemente a necessidade de algum grau de redundância no sistema. Neste projeto, investigaremos as principais tecnologias e arquiteturas para comunicações AMI e IoT, destacando as arquiteturas atualmente dominantes, baseadas em comunicações sem fio entre dispositivos. Investigaremos a tolerância a falhas e a confiabilidade sob o prisma de roteamento, escolhendo encaminhamento confiável e rápido no caso de falhas e roteamento multicaminho. Também investigaremos como essas abordagens de roteamento dependem de características topológicas específicas da rede de comunicação, o que pode ser garantido pelo planejamento adequado da rede. Este trabalho fortalecerá a colaboração existente entre os quatro grupos (PGC, PPGEET, UCSC e Pitt) e dois países (Brasil e EUA). A equipe possui uma vasta experiência em construção de sistemas e conhecimentos práticos e teóricos em IoT, redes inteligentes, sistemas em tempo real, redes sem fio, energia e segurança. Os membros da equipe possuem grande histórico de colaboração, servindo como um catalisador para as próximas colaborações formais.

  • 2. Busca Sintética de Novos Isósteros da MIRA-1 e MIRA-3 Inibidores ou Reversores da Agregação da Proteína de Supressão Tumoral p53 e de suas Parálogas (p63 e p73) como Alvo para Terapia do Câncer

O desenvolvimento de novos fármacos anticâncer vem passando por um processo de renovação desde a última década, guiada pelo desenvolvimento tanto de pequenas moléculas, como de agentes biológicos com notável atividade clínica e que não apresentam a atividade tóxica associada ao tratamento quimioterápico citotóxico convencional. Entretanto, esses novos agentes são altamente seletivos e efetivos apenas para uma minoria dos cânceres identificados por alterações genéticas específicas, como é o caso do mesilato de imatinib, também conhecido como Glivec®, que é efetivo contra tumores que apresentam translocações do gene ABL1. Apesar da importância desses novos medicamentos, permanece ainda a necessidade do desenvolvimento de novas abordagens que sejam capazes de alcançar um grande número de pacientes, atingindo alvos alterados na maior parte dos cânceres humanos. Os anéis heterocíclicos são considerados os pilares da química medicinal porque estão incorporados na estrutura molecular da maioria dos fármacos disponíveis no mercado e, aqueles que contêm átomos de nitrogênio, são os mais abundantes. Esta proposta visa planejar, sintetizar e avaliar uma série de substâncias capazes de reativar a proteína p53 que é um dos genes supressores de tumores mais importantes e mais estudados e se tornou o alvo da pesquisa porque está envolvida na maioria dos processos de carcinogênese em humanos e animais. Para isso, pretendemos planejar quimicamente e sintetizar uma série de compostos similares a uma classe de substâncias chamadas nutlinas que, por sua vez, provaram ser capazes de reativar a proteína p53. No entanto, apesar da sua eficiência, a síntese química dessas substâncias tem um grau considerável de complexidade e nossa proposta contempla a simplicidade da preparação de análogos 1,2,3-triazólicos inspirados em polissubstituídos na família Nutlinas e avaliá-los como inibidores de p53-MDM2. O projeto proporcionará a caracterização deste novo alvo, avaliando a partir do estudo do comportamento de moléculas de proteínas in vitro, ao seu efeito em animais. Também se destina a estabelecer metodologias de diagnóstico a serem utilizadas nesta área, o que parece estratégico no desenvolvimento de medicamentos e novas terapias. Para isso, utilizamos as áreas de síntese orgânica, bioquímica, biofísica, biologia molecular e celular, bioimagem e anatomia patológica para que, juntos e de forma complementar e sinérgica, possamos alcançar os objetivos presentes nesta proposta.

  • 3. Desenvolvimento de novas tecnologias para a inovação em educação e otimização de processos e produtos das indústrias de software e biotecnologia.

http://printbiotec.uff.br/

Este projeto visa fomentar a frutífera colaboração entre professores Alemães, Franceses e Brasileiros inseridos nas instituições fluminenses, francesas e germânicas envolvidas no projeto. Esta sólida parceria de aproximadamente duas décadas, pode ser comprovada através de um número significativo de publicações bem qualificadas pelo Qualis-CAPES entre os membros da equipe, além de projetos de cooperação internacional financiados pela CAPES (CSF-PVE, CAPES-DAAD), participação em bancas (exames de qualificação, doutorado e mestrado), participação na já tradicional série de Seminários de Combinatória IME, e disciplinas ministradas em conjunto. Além disso, esta colaboração tem proporcionado aos estudantes brasileiros o contato com novas técnicas de ensino e o desenvolvimento de pesquisas resultantes de dissertações de mestrado e teses de doutorado orientadas em parceria por professores destes dois países. Neste projeto objetivamos o desenvolvimento de métodos computacionais para a genômica comparativa, onde abordamos um árido campo da genômica computacional – a análise simultânea de múltiplos conjuntos de dados em larga escala em um cenário comparativo. Deste relevante campo da ciência emergem diversas questões computacionais novas e difíceis de serem resolvidas, que envolvem modelagem, algoritmos e análises interpretativas. Além disso, pretendemos estudar modelos teóricos de controle de rede, através de aspectos em grafos tais como: dominação e dominação total, os quais são invariantes definidas a partir de um subconjunto de nós de uma rede satisfazendo propriedades particulares; e a coloração de grafos que está intimamente relacionada ao número de frequências distintas a serem utilizadas em antenas de uma rede. Por fim, também objetivamos a ampliação de nossa rede de colaboração com o estabelecimento de novas parcerias que possam além do desenvolvimento de pesquisa nos temas relacionados ao projeto, desenvolver técnicas inovadoras de ensino e popularização da Matemática. Os recursos do projeto serão utilizados para atrair pesquisadores do exterior, professores e estudantes talentosos que possam continuar colaborando com os alunos e pesquisadores brasileiros, através de missões de pesquisa e bolsas de estudo. O impacto esperado pelo projeto está inserido na formação de recursos humanos, no avanço das pesquisas dos temas envolvidos no projeto e na consequente produção de artigos científicos publicados em revistas no estrato principal da CAPES.

O presente projeto visa resolver o problema de alocação e gerência de recursos em nuvens de computadores para aplicações HPC, minimizando o tempo de execução, consumo de energia e maximizando a tolerância a falhas, sem violar acordos de nível de serviço (SLA), e usando aplicações da biologia como estudo de caso. Tradicionalmente a computação em nuvem tem sido usada para compartilhamento de dados e serviços de uso geral, entretanto esta também tem aparecido como uma alternativa promissora para executar aplicações de HPC (High Performance Computing), mais recentemente. Este paradigma computacional oferece diversas vantagens quando comparado a uma infraestrutura dedicada, tais como o rápido provisionamento de recursos e significativa redução de custos operacionais. Entretanto, alguns desafios devem ser superados para reduzir a diferença entre o desempenho oferecido por uma infraestrutura dedicada e pelas nuvens. Custos adicionais introduzidos pela camada de virtualização, heterogeneidade de hardware e altas latências de rede afetam negativamente o desempenho da aplicações HPC. Além disso, provedores de nuvens, geralmente adotam políticas de compartilhamento de recursos que podem reduzir ainda mais o desempenho de tais aplicações. Tipicamente, um servidor físico pode hospedar várias máquinas virtuais que podem causar contenção no acesso a recursos compartilhados, como cache e memória principal, reduzindo significativamente seus desempenhos. Além disso, a seleção de máquinas virtuais e sua configuração manual é tarefa bastante complexa para cientistas que desenvolvem aplicações HPC e não são experts em ferramentas de administração de nuvens. Os escalonadores de aplicações que possuem diversas políticas que variam de acordo com a função objetivo como minimizar o tempo de execução total, minimizar a demanda por energia, mantendo uma garantia de nível de serviço com o usuário, entre outras, tem papel fundamental para garantir a eficiência da execução de tais aplicações. A fim de alavancar o uso de nuvens para execução de aplicações HPC, este projeto visa tratar esses diversos aspectos. A importância do uso de nuvens para execução de aplicações HPC pode ser observada por algumas iniciativas, tal como o UberCloud, que tem oferecido serviço de HPC na nuvem, onde os usuários podem discutir a experiência de usar tal ambiente. Como estudo de caso consideramos principalmente experimentos na área de bioinformática e, em especial, a genômica comparativa.

  • 5. Materiais Avançados.

Avanços recentes em técnicas de síntese e caracterização na escala nanométrica tornaram possível produzir materiais com propriedades customizadas. A investigação estes materiais avançados é atualmente uma das linhas de pesquisa centrais na física e engenharia de materiais Dado seu caráter interdisciplinar e as técnicas sofisticadas envolvidas, esta linha de pesquisa se organiza naturalmente através de redes internacionais. O Instituto de Física da UFF conta com pesquisadores de liderança nacional e reputação internacional em teoria da física da matéria condensada. Em anos recentes, foi feito um grande investimento em contratações e compra de equipamentos para que a pesquisa experimental do IF nesta área também se torne referência nacional. Contamos com equipamentos avançados para a síntese e caracterização de novos materiais e dominamos técnicas teóricas sofisticadas para descrever e prever suas propriedades. Esta proposta identifica pontos de sinergia entre os projetos dos pesquisadores da equipe e prevê a criação do Centro de Materiais Avançados para ampliar o trabalho conjunto, contando com a expertise dos colaboradores internacionais e envolvendo os alunos e pós-doutores sob nossa supervisão. Nossos principais nichos de atuação são materiais avançados à base de carbono, tais como grafeno, sistemas de baixa dimensionalidade, isolantes topológicos e sistemas fortemente correlacionados. Investigamos fenômenos envolvendo aspectos de equilíbrio, como propriedades eletrônicas e magnéticas, e aspectos fora do equilíbrio, como transporte de carga, calor e spin. Planejamos continuar contribuindo para o avanço da pesquisa nestas áreas, seja diversificando os materiais bidimensionais investigados, tais como fosforeno, germaneno, dicalcogenetos de metais de transição, etc., como aprofundando técnicas teóricas para estudar sistemas fortemente correlacionados, a teoria termodinâmica na escala nanoscópica (chamada de termodinâmica quântica), teoria da dinâmica de spin em sistemas nanoestruturados, o estudo de grafeno tensionado e/ou funcionalizado e investigações experimentais em filmes finos funcionalizados. A proposta contem também temas emergentes como o estudo de semimetais de Weyl, desenvolvimento de novos conceitos no estudo de fases topológicas e suas excitações de borda com cargas fracionárias e o estudo de novas formas de matéria, caracterizadas por quebra de simetrias temporais, os chamados cristais-temporais recentemente observados experimentalmente.

  • 6. Novos Materiais Moleculares.

Sistemas com potencial de aplicação em novos materiais, através da construção de moléculas por montagem controlada de blocos moleculares é um tema de pesquisa de ponta e altamente competitivo no contexto internacional. Esta proposta envolve a colaboração entre pesquisadores dos programas de pós-graduação em Química e Física da UFF e equipes de três países estrangeiros (Itália, Romênia, Estados Unidos). Considerando o interesse do tema, não apenas do ponto de vista de potencial aplicação dos sistemas que podem ser obtidos, mas também pela necessidade de compreender os mecanismos de interação nos mesmos, o objetivo será a produção e investigação de novos materiais magnéticos moleculares, em particular sistemas que apresentem multifuncionalidade. Estes materiais poderão também ser utilizados para a funcionalização de nanopartículas magnéticas. Para a investigação dos sistemas obtidos são necessárias diversas técnicas, incluindo magnetometria, difração de raios X e espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), entre outras técnicas. A proposta envolve a realização de cálculos de estrutura eletrônica, que são essenciais para a evolução do tema. Os pesquisadores da UFF e da Romênia têm experiência em todas as etapas necessárias para a produção dos sistemas. O grupo de Florença tem experiência na caracterização experimental e em cálculos de estrutura eletrônica dos sistemas na área. Além disto, vem atuando na síntese, funcionalização e caracterização de nanopartículas magnéticas. Diversos resultados de trabalhos conjuntos vêm sendo publicados pelos pesquisadores envolvidos na proposta, assim como diversas teses e dissertações foram defendidas nos últimos anos. Já existe colaboração estabelecida entre as equipes, como pode ser atestado por publicações, tese em cotutela, realização de doutorados sanduíche e estadias de estudantes e pesquisadores visitantes, tanto brasileiros no exterior quanto de estrangeiros no IQ-UFF. Esta proposta permitirá ainda a expansão destas colaborações, envolvendo na mesmas outros pesquisadores da UFF.

  • 7. Química Computacional como Ferramenta Estratégica para o Desenvolvimento de Novos Materiais Funcionais.

Nas últimas décadas, a Química Computacional evoluiu como uma disciplina fundamental para a compreensão das propriedades de materiais, tanto do ponto de vista atomístico quanto do ponto de vista contínuo. Na física e química modernas, esses pontos de vista são reconciliados através de uma descrição do contínuo como médias locais de propriedades microscópicas avaliadas em uma grande região. Hoje em dia, existem metodologias bem estabelecidas para ambas as abordagens, e um grande espectro de procedimentos para simulação de sistemas moleculares ou de matéria condensada está disponível. Neste cenário, a simulação multiescala surge como um novo paradigma teórico e computacional nas ciências dos materiais. Da mecânica quântica (QM) à mecânica molecular (MM), dinâmica molecular de equilíbrio (EMD) e de não-equilíbrio (NEMD), a abordagem híbrida atomística contínua como modelagem multiescala pode ser uma poderosa técnica computacional para fornecer uma compreensão profunda dos materiais, do ponto de vista microscópico. Para obter sucesso na concepção de novos materiais, é necessário o emprego de técnicas experimentais e simulações computacionais. Uma combinação de abordagens experimentais e teóricas para estudar sistemas moleculares e estendidos é o método adequado para o desenvolvimento de novos materiais funcionais. Nesta proposta, focamos na modelagem multisescala para investigar uma série de materiais relevantes que poderão ser aplicados na captura e separação de gases, exploração de petróleo e gás natural, fluidos de perfuração, lubrificantes, conversão de energia, como catalisadores, para extração de contaminantes de águas residuais e também como blocos de construção em materiais híbridos para extrações de compostos poluentes. Os métodos de simulação por computador são adequados para estudar relações entre estrutura microscópica e propriedades macroscópicas, pois permitem investigações detalhadas no nível atômico e determinação de propriedades macroscópicas.

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