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Radiation for Science and Society

The Centre for Nuclear Sciences and Technologies, C2TN, is a research unit created in 2013, located in the Campus Tecnológico e Nuclear of Instituto Superior Técnico. C2TN has a well-defined strategy focused in basic and applied research, advanced training and dissemination of scientific and technological activities related to nuclear sciences and technologies as well as in the provision of specialized services to the community.  It is a Center of Reference at national and international level in its areas of expertise with a strong societal impact in Life and Health Sciences, Radiological Protection, Earth Sciences, Environment, Cultural Heritage and Advanced Materials.

The “Pontos de Vista” magazine visited a small part of the laboratories of C2TN. Let’s walk through some of the laboratories in each scientific thematic area, guided by C2TN´s researchers. And we ask a question: what is the direct contribution of C2TN activities for science and society?

“THE ALPHABET OF RADIATION”

Pedro Vaz, President of the Executive Committee, guided the magazine journalists´ to a few of the vast number of laboratories of this Center. On the way we walked by the building that houses the unique Portuguese Research Reactor, a nuclear reactor built exclusively for research in 1961 and in the origin of this Campus.

Pedro Vaz starts by explaining that we are in a pluridisciplinary center, gathering biologists, physicists, chemists, geologists and engineers among the 150 researchers, technicians, PhD and MSc students that work here.

Among the research units of Instituto Superior Técnico, C2TN is the one that offers a unique set of skills and competences, infrastructure and equipment for the applications of ionizing radiation and nuclear techniques.

There are impactful interfaces with institutions of several economic and social sectors, including hospitals, companies in the sectors of health, agro-food, archaeology and cultural heritage, professional associations, municipalities and museums. Therefore, in addition to being a research unit, C2TN is a provider of services in various sectors of society, being also involved in education and advanced training.

From medicine to electronics, the applications of radiation and nuclear techniques are numerous … Hence the motto “Radiation in the Service of Science and Society”.

Dulce Belo, member of C2TN´s Executive Committee, further stresses this point: “We want to make the society aware of the usefulness of the research performed here and deconstruct the “eccentric” scientist image, showing that those who work in this Campus do it, every day, for a better society”, refers this researcher, adding that, the participation in fairs of scientific dissemination, the creation of the Blog “the Alphabet of Radiation” and the regular presence in social media and networks have been one of the strong bets of the Executive Committee in order to achieve this objective. Aware to what’s going on in the National Scientific and Technological System, she deplores the widespread situation of precarious employment of the younger Researchers, adding however that the C2TN Executive Committee has been sensitive to this problem, supporting their researchers in these circumstances.

ADVANCED MATERIALS

Manuel Almeida explains us the work carried out in advanced materials, characterized by means of a rare combination of different nuclear and non-nuclear techniques, used both for preparation and characterization. The Centre has the possibility of having very low temperatures through the operation of a liquefactor of helium, unique in the country. Helium is the substance with the lowest boiling point being used in low temperature studies and in studies involving the creation of strong magnetic fields.

Captured in deposits of natural gas, helium is transported in its gaseous state to the Campus, where it is liquefied and stored in containers, at -269 °C or 4.2 K (kelvin), a temperature very close to the absolute zero (–273,15 °C).  The liquid helium is then directed to the various laboratories allowing, locally, to undertake experiments that combine extreme conditions of low temperatures and intense magnetic fields that can reach 18 T (Tesla) (about 400 000 times the value of the terrestrial magnetic field).

“There are a whole series of techniques of materials´ characterization and studies that can only be done by using low temperatures and high magnetic fields. We have a combination of low temperatures down to 0.3 K”, adds the researcher to whom “the support for research is not the desirable, we always have more ambition, however, we have managed to keep research work within laboratories, unique in the country and equipped with state-of-the-art technology”.

Manuel Almeida showed us three laboratories: one for electric transport properties; another dedicated to magnetic properties; and the Mössbauer spectroscopy laboratory. In the latter, different materials are studied, ranging from synthetics with magnetic properties to natural samples. João Carlos Waerenborgh, in charge of this laboratory, gives examples of the work done, from the reuse of the heaps of mines, to the detection of the concentration on soils of metals hazardous to human health. He also explains that the technique used for the mineralogical and geological characterization of the materials is the same used in the probes sent to Mars. Mössbauer spectrometry is a nuclear technique that has been used in the C2TN for applications in the areas of Materials and Earth Sciences.

Let’s go to one of the magnetometer laboratories, used for the study of materials relevant to areas such as quantum computing, the computers of the future. Laura Pereira, in charge of this laboratory, speaks of the rare combination of measurements at ultra-low temperatures, 0.3 K and under magnetic field up to 7 T. The materials studied here are relevant to different areas, from advanced materials for electronics, health, environment and mineral resources, with potential applications in the citizen´s everyday life.

In the laboratory of Cryostats with Magnets, Elsa Lopes speaks of the measurements of electrical transport properties through the combination of low temperature down to 0.3 K and of high magnetic fields up to 18 T allowing to study quantum effects in properties and to characterize materials with great potential application as thermoelectrics or as superconductors.

ENVIRONMENT AND CULTURAL HERITAGE

Paula Carreira told us about the use of environmental stable and radioactive isotopes (tritium and carbon 14 for example) in hydrology, as well as their use in cultural and archaeological heritage studies. The application of tritium and carbon-14 contents in groundwater dating studies  allows not only to determine the age of the resources, but even more importantly, to calculate the mean time of water resources renewal essential for its proper management and protection. The applications of isotope hydrology methodologies are extremely useful and can be applied for the benefit of society, answering to problems arising in our daily life, such as the origin of the drinking water in the taps of our homes.

“Here we have the ability and the technology to study and provide practical answers to issues related to our daily life and the protection of water resources,” says Paula Carreira.

The use of environmental isotopes along with geochemical parameters allows the identification of the origin of the mineralization of the waters. For example, in coastal areas, seawater intrusion processes can be distinguished from the dissolution of evaporitic minerals, which in extreme cases may result in the degradation of the water resources for human consumption, industry and agriculture supply. She also pointed out that through these techniques it is possible to identify the polluting sources and the main responsible processes.

Isabel Dias, in charge of the laboratory of Luminescence Dating, stressed that, activities related to the Environment and Cultural Heritage, are developed with high societal impact. “We are contacted by various private and public entities, both national and international. And that is the message that we want to express, that our work is useful for society”. The laboratory is available for archaeological, historical, geomorphological and geological communities. This method evaluates the time that has passed since the last time the crystalline material was exposed to light or heated, such as when a piece of ceramic or an archaeological artifact was produced or heated. Luminescence dating combines retrospective dosimetry with environmental dosimetry.

Miguel Reis explains to us that applied studies and fundamental research are performed in the particle accelerators of the Campus. One of the techniques available is the PIXE (Particle-Induced X-ray Emission). This is a technique that identifies the chemical elements present in a material or sample, used to characterize samples of filtered air particles in environmental control studies. At present, in the laboratory, for the characterization and speciation of aerosols, the high resolution PIXE system with energy dispersion (HRHE-PIXE) is used to develop a technique capable of efficiently determining the nature of the chemical compounds in which are the elements in suspension in the air. This is important because it has a great influence on their toxicity. Since 2008 this system is capable of separating the normally overlapping lines, allowing the observation of transitions with chemical information. Being the first PIXE system with these characteristics installed worldwide, in parallel with the fundamental studies in course it has also been used in geological applications and studies of mineral resources. 

HEALTH

The activities in this topical area encompass the development and preclinical evaluation of radioactive compounds for diagnostic and/or therapeutic applications in nuclear medicine, among others. António Paulo explains, in practical terms, this activity. The development of the radioactive compounds, the radiopharmaceuticals, aims at their administration to patients to diagnose or treat various pathologies. When the radiopharmaceutical is located in a particular organ or tumor, depending on the type of radioisotope, the radiation allows its visualization or eradication (in the case of tumors). We are talking about scientific and technological development and innovation with implications in various pathologies, namely Parkinson’s, Alzheimer’s, various cancers and cardiovascular diseases.

The aim is to develop new radiopharmaceutics of interest both to diagnostic and therapeutic applications in personalized nuclear medicine, which is the medicine of the future. “We combine diagnosis with therapy adjusted to each patient. The combination of valences that we have is unique in the country” the researcher says.

With several laboratories dedicated to the study of radioactive compounds, in C2TN we evaluate the new molecules with potential for clinical use, whether for diagnosis or therapeutic in nuclear medicine.

Pedro Vaz, describes the activities that aim at ensuring the quality and safety of health care involving the use of ionizing radiation in medical procedures, for diagnostic and therapeutic purposes, in the valences of radiodiagnostic, interventional procedures, in Nuclear Medicine and in radiotherapy. A pluridisciplinary team studies the biological effects of ionizing radiation (radiobiology) and the doses in organs and tissues in the mentioned procedures to evaluate the risk of cancer and other diseases induced by ionizing radiation. The aim is to prevent that users and patients are unduly exposed to ionizing radiation, with emphasis on children (paediatric exposures) in CT scans, mammography exams for the detection of breast cancer and Nuclear Medicine examinations for diverse pathologies such as cancer, cardiac, neurodegenerative (Alzheimer’s, Parkinson’s) and kidney diseases, among others. Aspects such as the calculation of radiation doses delivered to the tumor volume and to the healthy organs and tissues, are also subject of study. 

IONIZING RADIATION TECHNOLOGIES

We also visited the Ionizing Radiation Installation, IRIS and the Technological Laboratory for Assays in Clean Areas, LETAL, both dedicated to research and development of applications of ionizing radiation to various products and materials.

António Falcão, the head of IRIS, shows the experimental equipment of gamma irradiation and the LINAC accelerator that produces electron beams and x-rays. Pedro Santos talks about the ongoing work that includes the treatment and valorization of wastewaters, decontamination of food products, inactivation of human virus that persist in the environment and the processing of macromolecular polymer based materials. He stresses that the irradiation treatment has advantages for the environment and the human health when compared to conventional treatments, which require the addition of chemical or biological compounds that, as a rule, are toxic and leave residues.

LETAL provides for research and services related to processing by ionizing radiation. In particular, it provides for assessing the microbial load and/or the physical and chemical properties of the products, as explains Sandra Cabo Verde, a researcher in the field of ionizing radiation. She points out that this is one of the areas where C2TN holds expertise that is unique in the National Scientific System and that it has a great societal impact as it allows addressing issues of Public Health, Food safety and Environmental sustainability, among others.

 

C2TN in numbers

  • 86 PhD Researchers
  • 30 PhD Students
  • > 30 MSc and Graduation Students
  • 160 scientific publications (in refereed scientific journals, annual average)
  • Collaboration and/or partnerships with hundreds of national institutions (Health, Industry, Environment, Agro-food, Services, Energy, Professional Associations, Municipalities, Museums, Schools, etc.)
  • Strong internationalization, involving hundreds of reference research centres and universities on a global scale, in scientific networks and projects
  • Frequent participation in scientific dissemination actions and presentation of scientific results

As radiações ao serviço da ciência e da sociedade

O Centro de Ciências e Tecnologias Nucleares, C2TN, é uma unidade de investigação relativamente recente, criada em 2013 no Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico. O C2TN tem uma estratégia muito bem definida que incide em investigação fundamental e aplicada, formação avançada, atividades de divulgação de âmbito científico e tecnológico nas ciências e tecnologias nucleares, assim como na prestação de serviços especializados para a comunidade.  É um Centro de referência ao nível nacional e internacional cujas atividades de forte impacto societal se concentram nas temáticas das Ciências da Vida e da Saúde, Proteção Radiológica, Ciências da Terra, Ambiente e Património Cultural e Materiais Avançados.

A Revista Pontos de Vista visitou uma amostra dos laboratórios que fazem parte do C2TN. Através da voz de investigadores do Centro passemos, portanto, à apresentação de alguns dos laboratórios de cada área de intervenção. E deixamos uma questão: Qual o contributo direto das atividades do C2TN quer para a ciência quer para a sociedade?

“O ALFABETO DAS RADIAÇÕES”

Pedro Vaz, Presidente da Comissão Executiva, fez uma visita guiada à equipa da Revista Pontos de Vista a alguns do vasto número de laboratórios deste Centro. No caminho passámos pelo edifício que alberga o único Reator Português de Investigação, construído exclusivamente para fins de investigação científica em 1961, na origem deste Campus.

Pedro Vaz começa por explicar que, sendo este Centro pluridisciplinar, estão presentes biólogos, físicos, químicos, geólogos e engenheiros entre os 150 investigadores, técnicos e estudantes de Doutoramento e de Mestrado que aqui trabalham.

De entre as unidades de investigação do Instituto Superior Técnico, o C2TN é a que dispõe de um conjunto único de competências, infraestruturas e equipamentos, para aplicação das radiações ionizantes e técnicas nucleares.

Existem interfaces impactantes com instituições de vários sectores económicos e sociais, incluindo hospitais, empresas dos sectores da saúde, agro-alimentar, arqueologia e património cultural, associações, câmaras municipais e museus. Assim sendo, para além de uma unidade de investigação, o C2TN é um prestador de serviços em vários sectores da sociedade, estando envolvido em ações de educação, treino e formação avançada.

Da medicina à eletrónica, as aplicações das radiações e das técnicas nucleares são inúmeras… daí o lema “Radiações ao serviço da Sociedade e da Ciência”.

Dulce Belo, Vogal da Comissão Executiva do C2TN, vai mais longe e afirma: “queremos dar a conhecer à sociedade em geral, a utilidade da investigação que desenvolvemos e desconstruir a imagem do Cientista excêntrico, mostrando que, os que aqui trabalham fazem-no, todos os dias, em prol de uma sociedade melhor”, começa por referir esta investigadora acrescentando que, a participação em Feiras de divulgação científicas, a criação do Blog “O Alfabeto das Radiações” e a presença assídua nas Redes Sociais têm sido uma das apostas fortes desta Comissão Executiva para atingir esse objectivo. Atenta ao que se passa em todo Sistema Científico e Tecnológico Nacional, lamenta a situação generalizada de vínculo laboral precário dos Investigadores mais jovens, acrescentando no entanto que, sensíveis a este problema social, os órgãos de gestão do C2TN têm apoiado os seus investigadores nestas circunstâncias”.

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MATERIAIS AVANÇADOS

Manuel Almeida apresenta-nos os trabalhos realizados em materiais avançados, produzidos e caracterizados através de uma combinação rara de diferentes técnicas nucleares e não-nucleares, quer de preparação, quer de caracterização.

O centro tem a possibilidade de ter muito baixas temperaturas através do único liquefator de hélio do país. O hélio é a substância com o ponto de ebulição mais baixo sendo utilizado em estudos a baixa temperatura ou que envolvam a criação de campos magnéticos intensos.

Capturado em jazidas de gás natural, o hélio é transportado, ainda em estado gasoso, até ao Campus, onde é liquefeito e guardado em recipientes, a –269 °C ou 4,2 K (grau kelvin), uma temperatura muito próxima do zero absoluto (–273,15 °C).  O hélio líquido produzido é direccionado para os diversos laboratórios permitindo, localmente, a realização de experiências combinando condições extremas de baixas temperaturas com campos magnéticos intensos que podem atingir 18 T (tesla) (cerca de 400 mil vezes o valor do campo magnético terrestre).

“Há toda uma série de técnicas de caracterização de materiais e de estudos que só podem ser feitos recorrendo a baixas temperaturas e campos magnéticos altos. Temos uma combinação de baixas temperaturas até 0,3 K, acrescenta o investigador para quem “os apoios para a investigação não são os desejáveis, temos sempre mais ambição, no entanto, temos conseguido manter os trabalhos de investigação com laboratórios únicos no país e equipados com tecnologia de ponta”.

Manuel Almeida mostrou-nos, ainda, três laboratórios: um de propriedades de transporte elétrico; outro dedicado às propriedades magnéticas; e o de Espectroscopia Mössbauer. Nestes últimos são estudados diferentes materiais, desde sintéticos com propriedades magnéticas até amostras naturais. João Carlos Waerenborgh, responsável deste laboratório, dá exemplos dos trabalhos realizados, desde o reaproveitamento das escombreiras das minas, até à deteção da concentração em solos de possíveis metais perigosos para a saúde humana. Explica ainda, que a técnica utilizada para a caracterização mineralógica e geológica dos materiais é a mesma utilizada nas sondas enviadas para Marte. A espectrometria Mössbauer é uma técnica nuclear que tem sido desenvolvida no C2TN no âmbito de aplicações nas áreas dos Materiais e nas Ciências da Terra.

Passemos a um dos laboratórios de magnetómetro, utilizado para o estudo de materiais relevantes para áreas como a computação quântica, os computadores do futuro. Laura Pereira, responsável deste laboratório, fala da combinação rara das medidas a temperaturas ultra-baixas, 0,3 K e sob campo magnético até 7 T. Os materiais aqui caracterizados são relevantes para diferentes áreas, desde materiais avançados para a electrónica, saúde, ambiente e recursos minerais, com potenciais aplicações no quotidiano da sociedade.

No laboratório de criostatos com magnetos, Elsa Lopes fala das medidas aqui feitas de propriedades de transporte eléctrico através da combinação de baixa temperatura até 0,3 K e de campos magnéticos elevados até 18 T permitindo estudar efeitos quânticos nas propriedades e caracterizar materiais com grande potencial de aplicação como os termoelétricos ou os supercondutores.

AMBIENTE E PATRIMÓNIO CULTURAL

Paula Carreira falou-nos da utilização de isótopos ambientais, estáveis e radioativos (trítio e carbono 14 por exemplo), em estudos de hidrologia, bem como da relação com o património cultural e arqueológico. A aplicação de teores em trítio e de carbono-14 (método de datação de sistemas hídricos subterrâneos) permite não apenas conhecer a idade dos recursos, mas mais importante o tempo de renovação dessas reservas. Estas aplicações são extremamente úteis e podem ser utilizadas para o benefício da sociedade, dando uma resposta aplicada a problemas presentes no nosso dia a dia, como o simples facto de onde vem a água potável nas torneiras das nossas casas.

“Aqui temos a capacidade e a tecnologia para estudar e dar respostas práticas a questões relacionadas com o nosso quotidiano e com a proteção dos recursos hídricos”, afirma Paula Carreira.

O uso de isótopos ambientais juntamente com parâmetros geoquímicos permite a identificação da origem da mineralização das águas. Por exemplo, em zonas costeiras distingue-se os processos de intrusão marinha dos de dissolução de minerais evaporíticos, que em casos extremos pode originar a degradação dos recursos hídricos. Salientou ainda que através destas técnicas é possível identificar as fontes poluidoras e os processos responsáveis.

Isabel Dias salientou, em relação à temática do Ambiente e do Património Cultural, que no Laboratório de Datação por Luminescência, de que é responsável, se desenvolvem atividades com grande impacto social. “Somos, inclusive, procurados por diversas entidades particulares e públicas, nacionais e internacionais. E é essa a mensagem que queremos transmitir, que o nosso trabalho é útil para a sociedade”. O laboratório está disponível para as comunidades arqueológica, histórica, geomorfológica e geológica. Este método avalia o tempo que passou desde a última vez que os materiais cristalinos foram expostos à luz ou aquecidos, como por exemplo quando uma peça de cerâmica ou um artefacto arqueológico foi produzido/aquecido. A datação por luminescência combina dosimetria retrospetiva com dosimetria ambiental.

Miguel Reis explica-nos que, nos aceleradores de partículas do Campus, se fazem estudos aplicados e investigação fundamental. Uma das técnicas disponíveis, o PIXE, Particle-induced X-ray Emission, sendo uma técnica de identificação dos elementos químicos presentes num material ou amostra, foi usada para caracterizar amostras de partículas filtradas do ar em estudos de controlo ambiental. Presentemente, no Laboratório de Caracterização e Especiação de Aerossóis, faz-se uso do sistema de PIXE de alta resolução com dispersão em energia (HRHE-PIXE) para desenvolver uma técnica capaz de determinar, de forma eficiente, a natureza dos compostos químicos em que os elementos em suspensão no ar se encontram, porque essa natureza tem uma grande influência na sua toxicidade. Desde 2008 que este sistema é capaz de separar as linhas normalmente sobrepostas e permitir a observação de transições com informação química. Sendo o primeiro sistema de PIXE com estas capacidades a ser instalado a nível mundial, em paralelo com os desenvolvimentos fundamentais a decorrer, tem sido usado em aplicações geológicas e estudos de recursos minerais.

SAÚDE

As atividades nesta área incluem o desenvolvimento e avaliação pré-clínica de compostos radioactivos para aplicações de diagnóstico ou terapia em medicina nuclear. António Paulo explica, em termos práticos, esta atividade. O desenvolvimento destes compostos radioativos, os radiofármacos, tem por objetivo a sua administração a doentes para detetar ou tratar diversas patologias. Quando o radiofármaco se localiza num determinado órgão ou tumor, dependendo do tipo de radioisótopo, a radiação permite a sua visualização ou a sua eliminação (no caso dos tumores). Estamos a falar de desenvolvimento e inovação científicas e tecnológicas com implicações em patologias diversas, nomeadamente, Parkinson, Alzheimer, cancros diversos e doenças cardiovasculares.

O objetivo é desenvolver novos radiofármacos que tenham interesse para aplicações de diagnóstico e de terapia em medicina nuclear personalizada, que é a medicina do futuro. “Combinamos diagnóstico com terapia ajustados a cada paciente. A combinação de valências que temos é única no país”, adianta o investigador.

Com diversos laboratórios dedicados ao estudo de compostos radioativos, no C2TN avaliam-se quais as novas moléculas com potencial para utilização clínica, quer seja para diagnóstico ou terapêutica em medicina nuclear.

Pedro Vaz, fala-nos das actividades que visam assegurar a Qualidade e Segurança dos Cuidados de Saúde envolvendo a utilização das radiações ionizantes em procedimentos médicos, para efeitos de diagnóstico e terapêutica, nas valências Radiodiagnóstico, Procedimentos de Intervenção, em Medicina Nuclear e em Radioterapia. Uma equipa pluridisciplinar estuda os efeitos biológicos das radiações ionizantes (radiobiologia) e as doses em órgãos e tecidos nos procedimentos referidos, para avaliar o risco de cancro e outras doenças induzidas pela radiação ionizante. O objetivo é evitar que utentes e doentes sejam indevidamente expostos a radiações ionizantes, com ênfase em crianças (exposições pediátricas) em exames de Tomografia Computorizada, exames de mamografia para a deteção do cancro da mama e exames de Medicina Nuclear para patologias diversas do foro oncológico, cardiológico e neurodegenerativo (Alzheimer, Parkinson) e doenças renais, entre outras. Aspetos tais como o cálculo de doses no volume dos tumores e em órgãos e tecidos sãos adjacentes, são também alvo de estudo.

TECNOLOGIA DAS RADIAÇÕES IONIZANTES

Visitou-se também a Instalação de Radiações Ionizantes – IRIS e o Laboratório de Ensaios Tecnológicos em Áreas Limpas – LETAL, vocacionados para a investigação e desenvolvimento da aplicação de radiações ionizantes a produtos e materiais diversos.

Na IRIS, o responsável António Falcão mostra o equipamento experimental de irradiação gama e o acelerador LINAC que produz feixes de electrões e raios X. Pedro Santos fala do trabalho em curso que inclui o tratamento e valorização de efluentes, descontaminação de alimentos, inativação de vírus humanos que persistem no ambiente e o processamento de materiais macromoleculares de base polimérica. Explica que o tratamento por irradiação tem vantagens para o ambiente e para a saúde humana face aos tratamentos convencionais, que requerem a adição de compostos químicos ou biológicos que, em regra, são tóxicos e deixam resíduos.

No LETAL é realizada investigação e serviços relacionados com o processamento por radiação ionizante. Nomeadamente na avaliação da carga microbiana e/ou das propriedades físicas e químicas dos produtos, como explica Sandra Cabo Verde, Investigadora na área das Tecnologias de Radiação Ionizante. Realça que esta é uma das áreas em que o C2TN detém competência única no sistema científico nacional e que tem um enorme impacto societal, pois permite abordar questões de Saúde Pública, Segurança Alimentar e Sustentabilidade Ambiental, entre outras.


C2TN em números

 

86 Investigadores doutorados

30 Estudantes de doutoramento

> 30 Estudantes de mestrado e licenciatura

160 Publicações científicas(em revistas da especialidade, média anual)

 Colaboração e/ou parcerias com centenas de instituições nacionais (saúde, indústria, ambiente, agroalimentar, serviços, energia, associações profissionais, municípios, museus, escolas, etc.)

Forte internacionalização com centenas de centros de investigação e universidades à escala global em redes e projetos científicos

Participação frequente em ações de divulgação científica e disseminação de resultados científicos

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