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Tese de doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos, Atualmente, existe necessidade de materiais inovadores, com novas propriedades, capazes de conferir desempenho superior aos componentes e sistemas. Os materiais sólidos contínuos apresentam propriedades fortemente dependentes dos seus constituintes base. Contudo, com o desenvolvimento dos metamateriais nas últimas décadas, dá origem a uma nova classe de materiais com novas propriedades que resultam da sua microestrutura interna. Os metamateriais mecânicos, especificamente, são uma categoria de materiais celulares cujas propriedades mecânicas são obtidas pela distribuição ótima do material. O principal objetivo deste trabalho é a produção de metamateriais mecânicos através de Fabrico digital direto, estabelecendo relações entre a conceção por intermédio de ferramentas computacionais, a tecnologia de fabrico e a validação experimental. A metodologia utilizada aplica o método numérico de otimização topologia SIMP e explora a conjugação de diferentes restrições de densidade e forças aplicadas nas soluções inicias com os parâmetros de otimização na conceção de microestruturas ótimas. A homogeneização numérica, é utilizada para estimar as propriedades mecânicas das microestruturas otimizadas. Através da fabricação aditiva por Material Jetting as microestruturas ótimas são produzidas sendo posteriormente sujeitas a ensaios mecânicos. As microestruturas obtidas pela metodologia proposta possuem propriedades mecânicas diversas. As propriedades mecânicas experimentais à tração, compressão e corte são inferiores às homogeneizadas e dependentes do tamanho de escala e da fração volúmica de material sólido empregue nos provetes. Sendo os desvios do módulo de Young e de elasticidade transversal inversamente proporcional como aumento da escala e frações volúmicas dos provetes. Apesar das diferenças entre as propriedades homogeneizadas e as experimentais estarem de acordo com o pressuposto de periodicidade assumida nos métodos de homogeneização, existem outros fatores que podem influenciar estes desvios como, o tipo e tamanho de malha empregue na discretização do domínio, o tamanho dos provetes e as condições de fronteira e carregamentos impostos, especificidades do processo produtivo e dos materiais empregues. Este trabalho conclui que a metodologia aplicada é válida para a conceção e produção de metamateriais mecânicos por fabricação aditiva e que as propriedades experimentais destes produzidos por Material Jetting são inferiores às homogeneizadas., Currently, there is a need for innovative materials with new properties capable of providing superior performance to components and systems. Continuous solid materials have properties that are strongly dependent on their base constituents. However, the development of metamaterials in the last decades gives rise to a new class of materials with new properties that result from their internal microstructure. Mechanical metamaterials, specifically, are a category of cellular materials whose mechanical properties are obtained by the optimal distribution of the material. The main objective of this work is the production of mechanical metamaterials through direct digital fabrication, establishing relationships between design using computational tools, manufacturing technology and experimental validation. The methodology used applies the numerical method of SIMP topology optimization and explores the combination of different density constraints and forces applied in the initial solutions with the optimization in the design of optimal microstructures. Numerical homogenization is used to estimate the mechanical properties of optimized microstructures. Through additive fabrication by Material Jetting, optimal microstructures are produced at different scales being subsequently subjected to mechanical tests The microstructures obtained by the proposed methodology have different mechanical properties. The experimental mechanical properties in traction, compression, and shear are inferior to the homogenized ones and dependent on the scale size factors and the volume fraction of solid material used in the specimens. The deviations of Young’s modulus and transverse elasticity are inversely proportional to the increase in scale and specimens volume fractions. Although the differences between the homogenized and experimental properties are under the periodicity assumption assumed in the homogenization methods, other factors can influence these deviations, such as the type and size of mesh used in the discretization of the domain, the size of the specimens and the border conditions and loads imposed, specificities of the production process and the materials used. This work concludes that the methodology applied is valid for the design and production of mechanical metamaterials by additive manufacturing. The experimental properties of these produced by Material Jetting are lower than those estimated by homogenization., À Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), pelo apoio concedido no âmbito da bolsa de doutoramento SFRH/BD/130908/2017

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A resolução espacial dos sistemas de imaging convencionais é restringida pelo limite dedifração. Nas últimas décadas, inúmeros investigadores procuraram ultrapassar as condicionantes impostas pela difração através de sistemas que permitam manipulação do campopróximo, para que fosse possível criar sistemas de imaging com super-­resolução. De entreas alternativas mais promissoras que permitem atingir super-­resolução destacam-­se aquelas baseadas em metamateriais.Os metamateriais, em particular, os metamateriais compostos por agregados de fios metálicos, possibilitam uma enorme flexibilidade em termos de respostas eletromagnéticasrealizáveis, muito para além daquelas possíveis com os materiais que estão disponíveisna natureza. Duas das mais interessantes propriedades eletromagnéticas exibidas pelosagregados de fios metálicos são a dispersão espacial forte e a anisotropia ótica extrema.A anisotropia extrema permite que estas estruturas artificiais funcionem como lentescom super­-resolução com a capacidade de transportar e manipular o campo elétrico. Oprincípio de funcionamento destas lentes baseia-­se na transformação dos harmónicos evanescentes, em ondas propagáveis na lente, sendo essas ondas guiadas por cada um dosfios (pixel­ to­ pixel imaging principle), e possibilitando assim a reprodução da imagem nainterface de saída da lente. Este efeito denomina-­se de canalização.Nesta dissertação, realizou-­se a caracterização experimental do efeito de flexão (dobra mento) dos fios nas capacidades de imaging das lentes metamateriais de fios. Para issofoi projetada e fabricada uma lente metamaterial e as respetivas antenas de excitação, efoi utilizado um sistema de medição de campo próximo para fazer a caracterização.Foi demonstrado experimentalmente que uma lente metamaterial de fios dobrados permite a reconstrução do campo elétrico próximo com super­-resolução. Os resultados experimentais obtidos evidenciam a grande tolerância das lentes de fios metálicos ao efeito deflexão dos fios. The spatial resolution of conventional imaging systems is constrained by the diffractionlimit. Over the last decades, countless researchers have tried to overcome the constraintsimposed by diffraction, by using systems that allow manipulating the near field, so thatit would be possible to create imaging systems with super­ resolution. Among the mostpromising alternatives that allow obtaining super-­resolution, those based on metamaterialsstand out.Metamaterials formed by arrays of metallic wires provide enormous flexibility in termsof achievable electromagnetic responses, far beyond those possible with materials available in nature. Two of the most interesting electromagnetic properties exhibited by wiremetamaterials are the strong spatial dispersion and the extreme optical anisotropy.Extreme anisotropy allows these artificial structures to work as super resolution lenseswith the ability to transport and manipulate the electric field. The operating principle ofthese lenses is based on the transformation of the evanescent harmonics into propagatingwaves in the lens, which are guided by each wire (pixel ­to­ pixel imaging principle), thusenabling the reproduction of the image on the output interface of the lens. This effect iscalled canalization.In this dissertation, it was carried out the experimental characterization of the effectsof bending the wires of such metamaterial lenses, on its imaging capabilities. It was designed and fabricated a metamaterial lens and the corresponding excitation antennas. Inorder to test the imaging capabilities of the metamaterials lens, it was used a near­fieldmeasurement system.It was experimentally demonstrated that a bent wire metamaterial lens allows the reconstruction of the near electric field with super­ resolution. The experimental results obtained showed a great tolerance of the metallic wire lens to the wire bending effect.

Trabalho não financiado por agência de fomento, ou autofinanciado Os sistemas de comunicação sem fio (Wireless) vêm se desenvolvendo constantemente devido a demanda de velocidades de transmissão de dados mais elevados, serviços em diversas frequências e aplicações. Assim, são necessárias implementações a partir de estudos paramétricos, de novos métodos e dispositivos capazes de atender o aumento da versatilidade, confiabilidade e escalabilidade desta tecnologia. Nesta perspectiva, este trabalho apresenta um estudo paramétrico de perda de retorno, frequência de ressonância e largura de banda, diagrama de radiação, densidade de fluxo de corrente, carta de Smith e VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), em antenas de microfita com alterações no plano de terra, formando estruturas DGS (Defected Ground Structures), a partir da inserção de elementos SETR (Split Equilateral Triangle Resonator) modeladas no software HFSS® para simulações e fabricadas para medições no VNA (Vector Network Analyzer) modelo Rohde & Schwarz® ZND. Com isto, foram feitas comparações entre os resultados simulados e medidos, para análises e comprovação dos métodos e materiais, utilizados e fabricados. Os resultados apontaram que as antenas obtiveram vários modos ressonantes, nas faixas comumente utilizadas em telecomunicações para comunicações móveis e tecnologia 5G, entre 2,2GHz – 2,35GHz e 3,5GHz – 4,1GHz Wireless communication systems (Wireless) have been constantly developing due to the demand for higher data transmission speeds, services at different frequencies and applications. Thus, implementations are necessary based on parametric studies, new methods and devices capable of meeting the increased versatility, reliability and scalability of this technology. In this perspective, this work presents a parametric study of return loss, resonant frequency and bandwidth, radiation diagram, current flow density, Smith chart and VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) in microstrip antennas with changes in the ground plane, forming DGS (Defected Ground Structures), from the insertion of SETR (Split Equilateral Triangle Resonator) metamaterial elements and simulated in the software HFSS® for theoretical measurements, manufactured and simulated in VNA (Vector Network Analyzer) for practical measurements. With this, comparisons were made between the simulated and measured results, for analysis and verification of the methods and materials, used and manufactured. The results showed that the antennas obtained several resonant modes, in the bands commonly used in telecommunications, between 2.2 GHz and 2.35 GHz and 3.5 GHz and 4.1 GHz

Orientador: Prof. Dr. Cícero Ribeiro de Lima Coorientador: Prof. Dr. Sandro Luis Vatanabe Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Santo André, 2020. Mecanismos flexíveis realizam determinadas funções a partir da deformação elástica de seu corpo, evitando o uso de juntas, pinos e rolamentos. Isso evita montagem e problemas como o atrito entre componentes. Mecanismos flexíveis possuem grande aplicação em aparelhos que envolvem mecânica de precisão devido à sua alta precisão dada pelo menor desgaste e pelas folgas reduzidas. Na Engenharia Biomédica, mecanismos flexíveis têm grande aplicação no projeto de instrumentos cirúrgicos, facilitando a esterilização devido ao número reduzido de componentes. Dada a sua aplicação em microescala, mecanismos flexíveis podem ser usados na fabricação de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Outra possível aplicação é na fabricação de LEMS (Lamina Emergent Mechanisms), que são mecanismos fabricados de materiais planos com movimento que emerge de seu plano. Neste trabalho, o projeto de mecanismos flexíveis também é utilizado para desenvolver um metamaterial, que é uma estrutura projetada para ter propriedades extremas não encontradas na forma natural dos materiais. Neste caso a propriedade desejada é o coeficiente de Poisson negativo, que define uma estrutura auxética. O método da otimização topológica (OT) tem se mostrado o mais genérico e sistemático para o projeto de mecanismos flexíveis. Consiste em um método que distribui material dentro de um domínio de modo a extremizar a função objetivo especificada. Neste trabalho a OT é realizada em domínios discretizados em elementos de barras (ground structure), onde as áreas das seções transversais dos elementos são as variáveis de projeto. São considerados grandes deslocamentos, o que estabelece uma relação não linear entre deformação e deslocamento e requer o uso do MEF não linear. O objetivo desse trabalho é implementar uma metodologia para projeto de mecanismos flexíveis com grandes deslocamentos usando domínios discretos. O problema de otimização está sujeito à restrição de volume, na qual a função objetivo busca maximizar o deslocamento em uma dada região do domínio da estrutura quando submetida a um dado carregamento em outra região. Os resultados demonstram que é possível projetar mecanismos flexíveis com grandes deslocamentos por meio desta metodologia. Compliant mechanisms perform certain functions from the elastic deformation of its body, thus avoiding the use of joints, pins and bearings. This avoids assembly and problems such as friction between components. Compliant mechanisms have great application in devices that involve precision mechanics due to their high precision because of the reduced wear and reduced clearances. In biomedical engineering, compliant mechanisms have great application in the design of surgical instruments, facilitating sterilization by reason of the reduced number of components. Owing to its microscale application, compliant mechanisms can be used in the manufacture of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Another possible application is in the manufacture of LEMS (Lamina Emergent Mechanisms), which are mechanisms made of flat materials with movement that emerges from its plan. In this work, the design of compliant mechanisms is also used to engineer a metamaterial, that is a structure designed to have extremal properties not found in naturally occurring materials. In this case the desired property is the negative Poisson¿s ratio, which defines the so called auxetic structure. The topology optimization method has been shown to be the most generic and systematic for the design of compliant mechanisms. It consists of a method that distributes material within a domain in order to achieve the specified objective function. In this work TO is performed in discretized domains in truss elements (ground structure), where the cross-sectional areas of the elements are the design variables. Large displacements are considered, which establishes a nonlinear relation between deformation and displacement and requires the use of nonlinear FEM. The objective of this work is to develop a methodology to design compliant mechanisms with large displacements by using discrete domains. The optimization problem is subject to volume constraint where the objective function is to maximize the displacement in a given region of the structure domain when subjected to a given load in another region. The results demonstrate that compliant mechanisms with large displacements can be designed by using this methodology.

Orientador: Yuzo Iano Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A espectroscopia dielétrica em micro-ondas é a medida da permissividade complexa em função da frequência para determinar várias propriedades físicas e químicas de materiais na faixa do espectro eletromagnético de micro-ondas. Para a realização da espectroscopia dielétrica em micro-ondas é necessário um dispositivo ou sensor e uma instrumentação de que realize a excitação e medida das propriedades associadas à reflexão e transmissão de sinais elétricos em frequências de micro-ondas, sendo que geralmente é utilizado um analisador de redes. Neste trabalho são apresentadas contribuições para a espectroscopia dielétrica em micro-ondas, sendo uma das contribuições a utilização das plataformas conhecidas como rádio definido por software em substituição ao analisador de redes, com as vantagens de que o rádio definido por software ser mais flexível de configurar e operar, além de ter um custo menor do que um analisador de redes. Outra contribuição é o desenvolvimento de um sensor para a espectroscopia dielétrica de líquidos baseado em uma estrutura metamaterial de ressonador complementar de anel partido (complementary split ring resonator - CSRR), onde as amostras líquidas são colocadas em tubos capilares de vidros normais à superfície do sensor, o que torna o sensor proposto mais compacto, de baixo custo, sem contato com a amostra, reutilizável, fácil de fabricar e fácil de utilizar. O sensor foi testado com sucesso na detecção da presença de água em etanol Abstract: Microwave dielectric spectroscopy measures the complex permittivity as a function of frequency to determine various physical and chemical properties of materials in the range of the microwave electromagnetic spectrum. To perform microwave dielectric spectroscopy a device or sensor is required and instrumentation that perform the excitation and measurement of properties associated with the reflection and transmission of electrical signals in the microwave frequency, and is usually used a network analyzer. This work presents contributions to the microwave dielectric spectroscopy, one of the contributions is the use of the platforms known as software-defined radio replacing the network analyzer instrumentation, with the advantages that software-defined radio is more flexible to configure and operate, besides of having a lower cost than a network analyzer. Another contribution is the development of a sensor for liquid dielectric spectroscopy based on a complementary split ring resonator (CSRR) metamaterial structure, where the liquid samples are placed in glass capillary tubes normal on the surface of the sensor, which makes the proposed sensor more compact, low-cost, contactless, reusable, simple to manufacture and easy to use. The sensor was successfully tested to detect the presence of water in ethanol Doutorado Telecomunicações e Telemática Doutor em Engenharia Elétrica

Para a espectroscopia de alta resolução e metrologia óptica em geral, é desejável um laser com linha espectral estável e de alta potência de saída para bombear diferentes tipos de ressonadores, como osciladores paramétricos óticos (OPO Optical Parametric Oscillator). Os lasers de frequência única disponíveis estão no alcance de potência de saída de 10 Watts, enquanto que, dependendo da aplicação e do tipo de OPO, é desejável uma maior potência (> 20 W). Neste trabalho foi desenvolvido um laser de frequência única e alta potência com base em módulos de bombeio por diodos e tendo como meio ativo o granada de alumínio de ítrio dopado com neodímio (Nd:YAG). Dois bastões de Nd:YAG bombeados transversalmente por diodo, foram utilizadas em uma configuração de ressonador em anel com saída polarizada de onda continua (CW continuous-wave), qualidade de feixe modo transversal eletromagnético (TEM00) e potência de saída de 105,2 W. A potência de saída alcançada é, a nosso entender, a mais alta para lasers em anel no modo fundamental transversal polarizado contínuo usando módulos Nd:YAG comuns com bombeamento lateral. O ressonador permitiu a sintonização de potência em uma grande faixa dinâmica e obteve excelente qualidade de feixe, usando uma placa de meia onda entre os dois bastões para compensação de birrefringência. A operação de frequência única foi alcançada usando cristal de granada de térbio-gálio (TGG-Terbium Gallium Garnet), dois imãs e um etalon, com uma potência de saída de 51,60 W e uma largura a meia altura da curva (FWHM) espectral de aproximadamente 17 MHz. For high resolution spectroscopy, a high power, stable line output laser is desirable for pumping different types of optical parametric oscillator resonators (OPO). Single-frequency lasers are in the range of 10 watts of output power, while, depending on the application and the OPO type, higher power (> 20 W) is desirable. In this work a single frequency high power laser based on diode pumping modules with Nd:YAG as the active medium was developed. Two Nd:YAG bars transversally pumped by diodes were used in a configuration of a CW polarized ring resonator with beam quality TEM00 and output power of 105,2 W. The output power achieved is, to our knowledge, the highest for continuous polarized fundamental mode ring lasers using standard Nd:YAG modules with side pumping. The resonator allowed the tuning power in a large dynamic range and obtained excellent beam quality using a half-wave plate between the two rods for birefringence compensation. The single frequency operation was achieved using a TGG (Terbium Gallium Garnet) crystal, two magnets and an etalon, with an output power of 51.60 W and a 17 MHz full width at half maximum (FWHM) spectral width.

The term “analogous gravity” refers to a research programme whose purpose is to investigate analogues of gravitational fields, from the perspective of general relativity, in physical systems of other areas, aiming to obtain a better understanding of both systems involved. Analogies have proved important in physics and mathematics, for an analogy taken meticulously to a specific problem may be able to suggest unexpected routes to a possible solution. Thus, examples of analogous gravitational models date back to the beginnings of general relativity. With the development of nanotechnology, an alternative to obtaining similar gravitational and cosmological models is through the study of light propagation in metamaterials. These are artificially constructed, so that their electromagnetic properties can be carefully modeled because they derive from the same artificial structure. By virtue of this freedom, it has become possible to emulate a temporal behavior in one of the three spatial coordinates, simulating, for example, a 2+1 spacetime. In this work, through a theoretical study in hyperbolic and electronic metamaterials, we establish analogous models for two systems: the compact Milne universe, which represents a simple model of cosmic singularity in cyclic cosmological models, and the signature transition between a Minkowski spacetime and a kleinian spacetime, the latter being characterized by being endowed with two time-type coordinates. In both cases, through an analysis in the framework of wave optics, we will see how the behavior of a Klein-Gordon scalar field can be reproduced in the corresponding material medium. In addition, in the context of the Milne universe, we will show that the classical behavior, that is, the timelike and spacelike geodesics can also be reproduced in the metamaterial by the trajectories described by the light rays. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq O termo “gravidade análoga” remete a um campo de pesquisa cujo objetivo consiste em investigar análogos dos campos gravitacionais, sob a perspectiva da relatividade geral, em sistemas físicos de outras áreas, almejando assim obter uma melhor compreensão de ambos os sistemas envolvidos. Analogias têm se mostrado importantes na física e na matemática, pois, uma analogia tomada de forma meticulosa para um problema específico pode ser capaz de sugerir caminhos inesperados para uma possível solução do problema primitivo. Diante disso, exemplos de modelos análogos gravitacionais datam desde os primórdios da relatividade geral. Com o desenvolvimento da nanotecnologia, uma alternativa para a obtenção de modelos gravitacionais e cosmológicos análogos é através do estudo da propagação luminosa em metamateriais. Estes são construídos artificialmente, de modo que suas propriedades eletromagnéticas podem ser modeladas de forma cuidadosa, pois derivam dessa mesma estrutura artificial. Em virtude dessa liberdade, tornou-se possível emular um comportamento temporal em uma das três coordenadas espaciais, simulando, por exemplo, um espaço-tempo de 2 + 1 dimensões. Neste trabalho, mediante um estudo teórico em metamateriais hiperbólicos e eletrônicos, estabelecemos modelos análogos para dois sistemas: o universo compacto de Milne, o qual representa um modelo simples de singularidade cósmica em modelos cosmológicos cíclicos, e a transição de assinatura entre um espaço-tempo de Minkowski e um espaço-tempo kleiniano, sendo este último caracterizado por ser dotado de duas coordenadas do tipo tempo. Em ambos os casos, mediante uma análise via óptica ondulatória, veremos como o comportamento de um campo escalar de Klein-Gordon pode ser reproduzido nos meios materiais correspondentes. Adicionalmente, no contexto do universo de Milne, mostraremos que o comportamento clássico, isto é, as geodésicas do tipo tempo e do tipo espaço também são reproduzidas no metamaterial pelas trajetórias descritas pelos raios luminosos.

In this thesis we study the influence of the geometry on the electronic properties of double carbon nanocones. We also propose an invisibility cloak detecting strategy by exploring the gometry of the cloak built using the theory of transformation optics. For the study of double carbon nanocones, we use the continuous model based on a Dirac Hamiltonian for massless fermions where topological defects are described through non-abelian gauge fields. For this we demonstrate how the Dirac equation can be obtained from the coupling of spin to the relativistic analogue of kinetic energy and demonstrate how the electronic properties of graphene can be modeled by an effective Dirac equation for massless fermions. We then develop the geometric approach that describes two cocnes in a single structure, by extending the radial coordinate to the whole set of real numbers. For a better understanding of the characteristics of this type of surface, we demonstrate the dynamics of a particle on this surface in classical, quantum and quantum-relativistic regimes. We then solve the effective Dirac equation for a free particle on double carbon nanocone surfaces. We show thet for some combinations of different nanocones, the local density of states near the apex of the cones is not zero in the Fermin energy and presents a strong dependence on angular momentum. We also get Landau levels for charged particles under the influence of an azimuthal magnetic field and do a detailed analysis of the energy spectrum considering the combinations of quantum numbers. We show how the magnetic field breaks the "summetry" between the cones by introducing states of different classes in each cone. The geometry of surface is also explored in the study of metamterials through the theory of transformation optics. We show how it is possible to manipulate in the laboratory the electric permittivity (e) and the magnetic permeability (u) of a dielectric and, in this way, obtain control over the refractive index of the medium. This approach allows us to model the geometry that reproduces a desired effect and determine the parameters of the dielectric that reproduces the desired geometry. More specifically, we explore how to construct a material capable of completely camouflaging an object within it, the so-called invisibility cloak. At the same time, we show how the invisibility cloak can be built, we propose a strategy to detect the presence of this cloak through the difference of phase generated by the curvature resulting from its building. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Nesta tese estudamos a influência da geometria nas propriedades eletrônicas de nanocones duplo de carbono. Também propomos uma forma de detecção do manto de invisibilidade explorando a geometria do manto construído utilizado a teoria de ótica de transformação. Para o estudo dos nanocones duplos de carbomo, utilizamos o modelo contínuo baseado num hamiltoniano tipo Dirac para férmions sem massa onde os defeitos topológicos são descritos através de campos de gauge não abelianos. Para isso demonstramos como a equação de Dirac pode ser obtida a partir do acoplamento do spin ao análogo relativístico da energia cinética e demonstramos como as propriedades eletrônicas do grafeno podem ser modeladas por uma equação de Dirac efetiva para férmions sem massa. Desenvolvemos então a abordagem geométrica que descreve dois cones em uma única estrutura, peça extensão da coordenada radial ao inteiro conjunto dos números reais. Para uma melhor compreensão das características desse tipo de superfície, demonstramos a dinâmica de uma partícula nesta superfície nos casos clássicos, quântico e quântico- relativístico. Resolvemos então a equação de Dirac efetiva para uma partícula livre na superfície de um nanocone duplo de carbono, mostramos que para algumas combinações de diferentes nanocones, a densidade local de estados próxima do vértice dos cones não é nula na energia de Fermi e apresenta uma forte dependência com o momento angular. Obtemos também os níveis de Landau para uma partícula carregada sob influência de um campo magnético azimutal e fazemos uma análise detalhada do espectro de energia considerando as combinações dos números quânticos. Mostramos como o campo magnético quebra a "simetria" entre os cones introduzindo estados de classes diferentes em cada cone. A geometria de superfícies também é explorada no estudo dos metamateriais através da teoria de ótica de transformação. Demonstramos como é possível manipular em laboratório a permissividade elétrica (e) e a permeabilidade magnética (u) de um material dielétrico e, desta forma, obter controle sobre o índice de refração do meio. Essa abordagem nos permite modelar a geometria que reproduza um efeito desejado e determinar os parâmetros do material dielétrico que reproduz a geometria desejada. Mais especificamente, exploramos como construir um material capaz de camuflar completamente um objeto em seu interior, o chamado manto de invisibilidade. Ao mesmo tempo que mostramos como o manto de invisibilidade pode ser construído, propomos uma estratégia de detectar a presença desse manto através da diferença de fase gerada pela curvatura resultante da sua construção.

Orientador: José Maria Campos dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A análise dos problemas de vibração tem crescido ao longo dos anos. Uma abordagem alternativa utilizada para atenuar seus efeitos, é projetar estruturas periódicas, variando as propriedades dos material, gerando bandas proibidas (\textit{band gaps}), que são faixas de frequência nas quais não há propagação de ondas elásticas. No presente trabalho, um novo método para analisar propagação de ondas em estruturas é proposto. Este consiste em reescrever um problema de valor de contorno em um problema de valor inicial. A equação do movimento é representada na forma de estados e reescrita em termos de impedância mecânica, produzindo uma Equação Diferencial de Riccati. Com a impedância calculada, é possível estabelecer uma condição que permite obter o estado completo e consequentemente a matriz de transferência, a qual pode ser reformulada na forma de uma matriz de rigidez dinâmica espectral. Exemplos numéricos são simulados para estruturas periódicas unidimensionais do tipo barra, com variação da seção transversal. O critério de convergência e a eficiência do método são apresentados e discutidos. Os diagramas de dispersão e a resposta forçada são obtidos e os resultados são comparados com aqueles dos métodos analíticos e semi-analíticos encontrados na literatura Abstract: The problems of vibrations in structures have been relevant over the years. An alternative approach to control its effects is to design periodic schemes, varying as material properties, providing forbidden bands (band gaps), are frequency zones in which there is no propagation of elastic waves. In the present work, a new method to analyze the propagation of waves in structures is proposed. This consists of rewrite a boundary value problem into an initial value problem. The equation of motion is represented in the form of states and rewritten in terms of mechanical impedance, yielding a Riccati Differential Equation. With the calculated impedance, it is possible to establish a condition that allows to obtain the complete state and consequently the transfer matrix, which can be reformulated in the form of a spectral dynamic stiffness matrix. Numerical examples are simulated for one-dimensional periodic rods, with cross-sectional variation. The convergence criterion and method efficiency are presented and discussed. Dispersion diagrams and a forced response are obtained and the results are compared with those of the analytical and semi-analytical methods found in the literature Mestrado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: José Maria Campos dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesta tese, os métodos de expansão em ondas planas (PWE), expansão em ondas planas melhorado (IPWE) e expansão em ondas planas estendido (EPWE) são utilizados para obter a estrutura de banda de cristais fonônicos (PnCs) e de metamateriais elásticos (EMs) uni- (1D) e bi-dimensionais (2D), isto é, estruturas arti?ciais projetadas para criarem bandas proibidas de Bragg e/ou localmente ressonantes. Estas estruturas periódicas estão sendo aplicadas em vários ramos da ciência e possuem diversas aplicações ¿ controle passivo/ativo de vibração, ?ltros/barreiras acústicas, metamateriais para captação de energia, guias de onda, dentre outras. A principal aplicação considerada nesta tese é o controle passivo de vibração. Primeiro, as formulações do PWE, IPWE e EPWE são apresentadas para alguns casos e vantagens e limitações são discutidas. Os casos considerados são PnCs 1D de barra, cristais sônicos 2D e EMs 1D de viga de Euler-Bernoulli. Posteriormente, alguns exemplos de propagação de ondas mecânicas nestas estruturas periódicas são abordados através da análise da estrutura de banda. Em seguida, algumas aplicações dos PnCs e EMs para controle passivo de vibração são discutidas em artigos anexados. Inicialmente, a estrutura de banda e a resposta forçada harmônica de um PnC simples de viga de Euler-Bernoulli são calculadas. Vários métodos são aplicados e os resultados simulados podem localizar a posição e a largura das bandas proibidas de Bragg próximas dos resultados experimentais. Posteriormente, é considerada a formação de bandas proibidas de ondas de ?exão em um PnC de placa com diferentes inclusões em redes quadrada e triangular, considerando-se a teoria de Mindlin-Reissner. O melhor desempenho é encontrado para a inclusão com seção transversal circular em uma rede triangular. Em seguida, a estrutura de banda de ondas elásticas se propagando em PnCs com nanoestruturas de carbono e em nanocristais fonônicos piezoelétricos com diferentes tipos de rede e inclusão são calculadas. Bandas proibidas totais entre os modos XY e Z são observadas para todos os tipos de inclusão. A piezoeletricidade in?uencia signi?cativamente as bandas proibidas para inclusão circular vazada em frequências mais baixas. Posteriormente, um PnC magnético-elétrico-elástico 2D é considerado. Diferentes tipos de rede e de inclusão também são considerados. A piezoeletricidade e o piezomagnetismo in?uenciam signi?cativamente as bandas proibidas. Finalmente, são considerados EMs 1D de viga de Euler-Bernoulli e 2D de placa ?na. A in?uência de ressonadores de um grau de liberdade e de múltiplos graus de liberdade periodicamente conectados nas células unitárias do EM de viga de Euler-Bernoulli e EM 2D de placa ?na são investigadas. Diferentes con?gurações da distribuição dos ressonadores são consideradas para investigar os mecanismos de formação das bandas proibidas, isto é, ressonância local e espalhamento de Bragg Abstract: In this thesis, plane wave expansion (PWE), improved plane wave expansion (IPWE) and extended plane wave expansion (EPWE) methods are used in order to obtain the band structure of one- (1D) and two-dimensional (2D) phononic crystals (PnCs) and elastic metamaterials (EMs), i.e., arti?cial structures designed to open up Bragg-type and/or locally resonant band gaps. Such periodic structures are being applied in many branches of science, and have many applications ¿ passive/active vibration control, acoustic barriers/?lters, metamaterials-based enhanced energy harvesting, waveguides, among others. The main application considered in this thesis is passive vibration control. First, PWE, IPWE and EPWE formulations are presented for some cases and advantages and drawbacks are discussed. The cases regarded are 1D PnC rods, 2D sonic crystals and 1D EM Euler-Bernoulli beams. Afterwards, some examples of mechanical wave propagation in these periodic structures are addressed by means of band structure analysis. Next, some applications of PnCs and EMs for passive vibration control are discussed in attached papers. Initially, the band structure and harmonic forced response of a simple 1D PnC Euler-Bernoulli beam are carried out. Several approaches are applied and the simulated results can localize the Bragg-type band gap position and width close to the experimental results. Next, it is considered the formation of ?exural wave band gaps in a PnC plate with different inclusions in square and triangular lattices, considering Mindlin-Reissner theory. The best performance is found for circular cross section inclusion in a triangular lattice. Afterwards, the band structure of elastic waves propagating in carbon nanostructure PnCs and nano-piezoelectric PnCs with different types of lattice and inclusion are calculated. Full band gaps between XY and Z modes are observed for all types of inclusions. Piezoelectricity in?uences signi?cantly the band gaps for hollow circular inclusion in lower frequencies. After that, a magnetoelectroelastic 2D PnC is considered. Different types of lattice and inclusion are also addressed. Piezoelectricity and piezomagnetism in?uence signi?cantly the band gaps. Finally, elastic wave propagating in 1D EM Euler-Bernoulli beams and in 2D EM thin plates is regarded. The in?uence of single degree of freedom and multiple degrees of freedom resonators periodically attached in unit cells of the EM Euler-Bernoulli beam and 2D EM thin plate are investigated. Different con?gurations of resonator distribution are carried out in order to investigate the band gap formation mechanisms, i.e., local resonance and Bragg scattering Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Marcos Roberto da Rocha Gesualdi Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Capovilla Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. A tecnologia metamaterial vem sendo estudada cientificamente e suas propriedades prometem efeitos inovadores em suas aplicações. A possibilidade de manipular o comportamento eletromagnetico em um dispositivo cercado por metamateriais abre portas para a criação e otimização de novos dispositivos. Qualquer sistema que envolva dispositivos de microondas, optica e antenas, está na grade dos beneficiados por essa tecnologia. As principais caracteristicas dos metamateriais são a refração negativa e as caracteristicas intrinsecas do material com valores negativos. Assumindo esse cen'ario, nesse trabalho ser'a projetada uma célula metamaterial inspirada no conceito de lente de Lenz, que permite uma amplificação do fluxo de energia magnética na região central da estrutura. Essa célula será reconfigurada para sua implementação na estrutura de antenas planares, operando na faixa de 2,4 GHz. Tr¿es modelos de antenas são utilizadas nesse estudo, uma quasi-Yagi , uma PIFA e completando a teoria um arranjo com três PIFAs. A disposição das celulas é feita de forma periódica e estrão, assim como diagramas de radiação extraidos das simulações e testes experimentais. As conclusões são obtidas com referência nesses resultados e por meio de comparações das configurações das antenas com e sem as celulas metamateriaias em sua estrutura. The metamaterial technology has been studied scientifically and its properties promise innovative effects in their applications. The possibility of manipulating the electromagnetic behavior on a device surrounded by metamaterials opens doors for the creation and optimization of new devices. Any system that involves microwave devices, optics and antennas is on the grid of those benefited by this technology. The main characteristics of the metamaterials are the negative refraction and the intrinsic characteristics of the material with negative values. Assuming this scenario, in this work will be projected a metamaterial cell inspired by the concept of Lenz lens, which allows an amplification of the magnetic flux in the central region of the structure. This cell will be reconfigured for its implementation in the planar antenna structure, operating in the 2.4 GHz range. Three antennas are used in this study, a quasi-Yagi, a PIFA and completing the theory a PIFA array with three elements. The arrangement of the cells is made periodically and strategically in the antenna structure, aiming for improvements in its performance. The characterization of these antennas is carried out by means of reflection and transmission parameters, as well as radiation diagrams extracted from the simulations and experimental tests. The conclusions are achieved with reference in these results and through comparisons of the antenna configurations with and without the metamaterial cells in their structure.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2019-05-07T15:31:17Z No. of bitstreams: 1 EDVALDO DA SILVA PIRES - TESE PPGEE 2012..pdf: 6288049 bytes, checksum: 2815cc0df535ebca22cbe2cab08a2cfc (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-07T15:31:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDVALDO DA SILVA PIRES - TESE PPGEE 2012..pdf: 6288049 bytes, checksum: 2815cc0df535ebca22cbe2cab08a2cfc (MD5) Previous issue date: 2012-08-09 Capes Neste trabalho de tese são desenvolvidos alguns dispositivos irradiantes com a aplicação da teoria dos metamateriais. Os metamateriais são materiais que até então não podem ser encontrados na natureza, mas podem ser construídos artificialmente, e são compostos em sua maioria de metal e dielétrico. É apresentada uma breve cronologia histórica da fundamentação teórica dos metamateriais, baseada nas equações que regem o comportamento eletromagnético em materiais convencionais. Este trabalho tem como contribuições alguns dispositivos irradiantes que são projetados e desenvolvidos para aplicação em sistemas wireless. Esses foram concebidos com a aplicação da teoria metamaterial regidos por parâmetros de linha de transmissão. A primeira estrutura é a antena ZORW (Zeroth-order resonating wire), concebida com a utilização de uma das características dos metamateriais, que é o comprimento de onda infinito. Em função dessa característica o tamanho da estrutura não depende do comprimento de onda, mas apenas das capacitâncias e indutâncias presentes na estrutura. A segunda estrutura irradiante é a antena MIWA (Metamaterial-inspired wire antenna), desenvolvida a partir de modificações feitas na antena ZORW. Depois dessas modificações, a antena perdeu as características metamateriais e, com isso, passou a ser uma antena inspirada em metamaterial. Como consequência das modificações, a nova antena passou a ter características de banda dupla e a operar nas faixas de 2,45 GHz e 5,5 GHz. Resultados consistentes são obtidos nas faixas de frequências pretendidas. Foram utilizados para simulação o CST Microwave Studio e o FDTD (Finite Difference Time Domain), desenvolvido para simulação de algumas das estruturas. As antenas foram projetadas para serem utilizadas em equipamentos que suportam os padrões da família IEEE 802.11, denominados comercialmente como equipamentos para redes wireless. In this thesis are developed some devices radiating in the application of the theory of metamaterials. Metamaterials are materials which until then cannot be found in nature, but can be constructed artificially, and are made in its majority of metal and dielectric. A brief historical chronology of the theoretical foundation of metamaterials is presented, based on the equations that govern the electromagnetic behavior in conventional materials. This work has as contributions some radiating devices which are designed and developed for use in wireless systems. These were conceived with the application of the metamaterial theory governed by parameters of transmission line. The first structure is ZORW (Zeroth-order resonating wire) antenna, designed with the use of a characteristic of metamaterials, which is the wavelength infinity. In agreement with this characteristic the structure size not dependent upon wavelength, but only of the inductances and capacitances present in the structure. The second radiating structure is the MIWA (Metamaterial-inspired wire antenna) antenna, developed from modifications of the ZORW antenna. After these changes the antenna lost the metamaterials characteristics, and with this became a metamaterial-inspired antenna. As a result of the changes the new antenna now has dual-band characteristics, and operates in the range of 2.45 GHz and 5.5 GHz. Consistent results are obtained in the frequency bands desired. Were used for simulation and the CST Microwave Studio and the FDTD (Finite Difference Time Domain), developed for simulate some of the structures. The antennas are projected for use in equipment that supports the standards of the IEEE 802.11 family, known commercially as equipment for wireless networks.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Microstrip antennas are subject matter in several research fields due to its numerous advantages. The discovery, at 1999, of a new class of materials called metamaterials - usually composed of metallic elements immersed in a dielectric medium, have attracted the attention of the scientific community, due to its electromagnetic properties, especially the ability to use in planar structures, such as microstrip, without interfering with their traditional geometry. The aim of this paper is to analyze the effects of one and bidimensional metamaterial substrates in microstrip antennas, with different configurations of resonance rings, SRR, in the dielectric layer. Fractal geometry is applied to these rings, in seeking to verify a multiband behavior and to reduce the resonance frequency of the antennas. The results are then given by commercial software Ansoft HFSS, used for precise analysis of the electromagnetic behavior of antennas by Finite Element Method (FEM). To reach it, this essay will first perform a literature study on fractal geometry and its generative process. This paper also presents an analysis of microstrip antennas, with emphasis on addressing different types of substrates as part of its electric and magnetic anisotropic behavior. It s performed too an approach on metamaterials and their unique properties As antenas de microfita são objeto de estudo em diversos campos de pesquisa devido a suas inúmeras vantagens. A obtenção, em 1999, de uma nova classe de materiais, chamados metamateriais - normalmente compostos por elementos metálicos imersos em um meio dielétrico, tem atraído a atenção da comunidade científica, graças às suas propriedades eletromagnéticas e, principalmente, pela capacidade de utilização em estruturas planares, tais como a microfita, sem interferir em sua geometria tradicional. O objetivo desse trabalho é analisar os efeitos do uso de substratos metamateriais uni e bidimensionais em antenas de microfita, com diferentes configurações de anéis de ressonância - SRR - na camada dielétrica. A geometria fractal é aplicada a esses anéis, na busca de se verificar um comportamento multibanda e de se reduzir a frequência de ressonância das antenas. Os resultados são, então, obtidos com o software comercial Ansoft HFSS, usado para a análise do comportamento eletromagnético das antenas, por meio do Método dos Elementos Finitos (FEM). Para tanto, nessa dissertação, é previamente realizado um estudo bibliográfico sobre a geometria fractal e seu processo gerador. Este trabalho apresenta também uma análise sobre as antenas de microfita, com ênfase à abordagem de diferentes tipos de substratos, evidenciando seu comportamento anisotrópico elétrico e magnético. É realizada, ainda, uma abordagem sobre os metamateriais e suas propriedades singulares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This paper presents a theoretical and numerical analysis of the parameters of a rectangular microstrip antenna with metamaterial substrate. The metamaterial (MTM) theory was applied along with Transverse Transmission Line (LTT) method to characterize substrate quantities and obtain the general equations of the electromagnetic fields. A study on metamaterial theory was conducted to obtain the constructive parameters, which were characterized through permittivity and permeability tensors to arrive at a set of electromagnetic equations. Electromagnetic principes are used to obtained parameters such as complex resonance frequency, bandwidth and radiation pattern were then obtained. Different metamaterial and antenna configurations were simulated to miniaturize them physically and increase their bandwidth, the results of which are shown through graphics. The theoretical computational analysis of this work proved to be accurate when compared to other studies, and may be used for other metamaterial devices. Conclusions and suggestions for future work are also proposed Este trabalho apresenta a análise teórica e numérica dos parâmetros de uma antena de microfita tipo patch retangular sobre substrato metamaterial. Para isso, é aplicada a teoria de metamateriais - MTM, em conjunto com o método da Linha de Transmissão Transversa - LTT, para a caracterização das grandezas do substrato e obtenção das equações gerais dos campos eletromagnéticos. É realizado um estudo acerca da teoria de metamateriais com o intuito de obter seus parâmetros construtivos, os mesmos são caracterizados através de tensores permissividade e permeabilidade. Essa teoria é aplicada ao método da Linha de Transmissão Transversa chegando-se às equações gerais para os campos eletromagnéticos da antena. Em seguida são utilizados princípios da teoria eletromagnética para obter-se características como: freqüência de ressonância complexa, diagramas de radiação e largura de banda. São simulados diferentes configurações de metamateriais e antenas com o intuito de miniaturizar as dimensões físicas e aumentar a largura de banda das mesmas, os resultados são apresentados através de gráficos. A análise teórica computacional deste trabalho se mostra precisa, em comparação a outros, podendo ser empregado em dispositivos que utilizem metamateriais como substratos. Ao final são apresentadas conclusões e sugestões para trabalhos futuros