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Com impliquem els nostres alumnes en la millora tecnològica de la qualitat de vida en un camp de refugiats

dv., 08/25/2017 - 12:29
Com impliquem els nostres alumnes en la millora tecnològica de la qualitat de vida en un camp de refugiats Aragüés Castelló, Maria
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Deformation mechanisms induced by nanoindentation tests on a metastable austenitic stainless steel: a FIB/SIM investigation

dv., 08/25/2017 - 12:12
Deformation mechanisms induced by nanoindentation tests on a metastable austenitic stainless steel: a FIB/SIM investigation Sapezanskaia, Ina; Roa Rovira, Joan Josep; Fargas Ribas, Gemma; Turón Viñas, Miquel; Trifonov, T.; Kouitat Njiwa, R.; Redjaïmia, A.; Mateo García, Antonio Manuel Metastable austenitic stainless steels are materials that can undergo austenite to martensite phase transformation when subjected to deformation and thus they represent a multiphase material with interesting mechanical properties. Different electron microscopy techniques are widely applied for the characterization of their deformation mechanisms at micrometric length scale. In doing so, Scanning Ion Microscopy (SIM) imaging, performed with a Focused Ion Beam (FIB), can be useful to evaluate microstructural features induced by different stress fields and, in certain cases, may substitute the conventional Transmission Electron Microscopy (TEM) technique. In this work, nanoindentation experiments (both monotonic and cyclic) were carried out on AISI 301LN metastable steel in order to induce localized deformation of individual austenitic grains. The activated plastic deformation mechanisms were evaluated by using different advanced characterization techniques (Electron BackScattered Diffraction (EBSD) and TEM), but mainly by FIB/SIM. FIB/SIM 3D-tomography was also conducted to reconstruct the deformation structure under the residual imprint. These observations, surprisingly, showed the existence of a good correlation between SIM and TEM images, concerning phase transformation and plastic zone development.
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A literature review on learned helplessness in school environments

dv., 08/25/2017 - 12:06
A literature review on learned helplessness in school environments Cabeza Loriente, Alberto Manuel Learned helplessness is a form of learning which develops when the subject perceives a loss of control in inescapable situations. This can lead to the development of cognitive and social deficits. Main research on this topic has been focused on clinical psychology. This TFM will explore the psychological phenomenon of learned helplessness and how this knowledge can be used in school environments and education. The main objective will be to find out if learned helplessness in school environments and education is actively researched and to ascertain the state-of-the-art of this research. We will provide a simple general diagnostic tool for teachers to detect signs of learned helplessness on their students. We will also provide simple treatment strategies to try to alleviate or minimize the effects of learned helplessness on students. These strategies do not treat mental disorders and, because of this, they can be used by any education professional: teachers and Psychopedagogy professionals. Relevant publications will be searched using five database engines. The results will be analyzed. We will then try to identify the relevant research groups and the most relevant journals on this subject. Finally, we will review and classify the most important publications and we will identify some of the diagnostic tools that researchers have developed.
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Estudio de mejora de la calificación energética e implantación de la norma ISO 50001 en un edificio de oficinas

dc., 08/23/2017 - 10:21
Estudio de mejora de la calificación energética e implantación de la norma ISO 50001 en un edificio de oficinas Pérez Marraco, Francisco Javier El presente proyecto trata de ofrecer alternativas de mejora energética en las instalaciones de un edificio de oficinas. Se estudian 2 enfoques diferentes, uno a corto plazo, donde se analizan las diferentes opciones de incrementar la calificación energética del edificio, y otro a largo plazo, contemplando las acciones a realizar para implantar en él un sistema de gestión de la energía de acuerdo a la normativa ISO 50001. Para ello, como condición indispensable de cualquier estudio energético, se realiza una descripción e inventariado del edificio y sus instalaciones, haciendo especial hincapié en los equipos consumidores de energía, así como sus consumos asociados. Con esta información se realiza la evaluación energética del edificio, mediante el software CE3X, reconocido por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, obteniendo la correspondiente clasificación energética del edificio en sus condiciones actuales. Una vez conseguida la fotografía del estado energético actual del edificio se proponen una serie de medidas encaminadas a mejorar su rendimiento energético. Se estudia la conveniencia e impacto energético y económico de diferentes opciones: · Sustitución de luminarias convencionales por análogas con tecnología LED. · Implantación de equipos de producción de energía solar térmica. · Implantación de equipos de producción de energía solar fotovoltaica Una vez descritas las diferentes alternativas, se realiza una simulación para comprobar el impacto de las medidas propuestas en la mejora de la clasificación energética del edificio. Del estudio realizado se concluye que la inversión más rentable si se quiere conseguir la clasificación energética “A” del edificio es apostar por instalación de equipos de iluminación de tecnología LED, así como la implantación de una planta de generación de energía fotovoltaica para autoconsumo. Finalmente, dado que también se pretende mejorar la eficiencia energética del edificio a largo plazo, se realiza un estudio de las acciones a realizar para implantar un sistema de gestión de la energía de acuerdo a la normativa ISO 50001.
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Projecte d'instal·lacions d'una piscina coberta i de sales per a activitats esportives al municipi d'Alcanar

dc., 08/23/2017 - 10:15
Projecte d'instal·lacions d'una piscina coberta i de sales per a activitats esportives al municipi d'Alcanar Matamoros Navarro, Josep Antoni El present projecte se centra en el disseny i posterior execució de totes les instal·lacions necessàries per a una piscina coberta i sales per a activitats esportives que es construirà al municipi d’Alcanar, a la comarca del Montsià. L’Ajuntament d’Alcanar és el promotor i impulsor d’aquest equipament esportiu. La instal·lació esportiva que s’obtindrà serà, per tant, de titularitat municipal. Aquesta instal·lació ha estat durant molts anys reclamada per la població, davant aquesta necessitat l’Ajuntament d’Alcanar es planteja la seva construcció. L’edifici i les instal·lacions associades, se situaran en una zona esportiva de propietat municipal, en la que ja existeixen altres equipaments esportius. També es pretén que l’edifici sigui inclòs en la xarxa d’equipaments esportius de Catalunya, la qual cosa obligarà que aquest s’ajusti a una sèrie de condicionants normatius i tècnics, imposats pel Pla director d’instal·lacions i equipaments esportius de Catalunya, PIEC, però per altra banda, això permetrà obtenir finançament per a l’execució de l’obra i acollir-se, posteriorment una vegada acabat l’edifici esportiu, a possibles subvencions per a la millora i renovació de les instal·lacions. En la memòria, inicialment es descriu l’edifici i el seu entorn, es mostra la ubicació de l’equipament esportiu i es descriuen els espais que el conformen, amb les seves superfícies. Amb l’ajuda dels plànols, això permetrà fer-se una idea exacta dels espais disponibles per a disposar-hi les instal·lacions projectades. En els capítols següents es descriuen les diferents instal·lacions que disposarà l’edifici, es determinen les característiques que haurà de tenir la instal·lació elèctrica i d’il·luminació, la instal·lació de climatització i renovació ambiental, la instal·lació solar i de producció d’ACS, la instal·lació de gas, les instal·lacions de subministrament i evacuació d’aigua, la instal·lació de manteniment de l’aigua de les piscines, les instal·lacions de protecció contra incendis i finalment altres instal·lacions com són la del parallamps, l’ascensor, instal·lacions complementàries de les piscines i de telecomunicacions. Per acabar la memòria es valoren els efectes ambientals de l’edifici i les seves instal·lacions en el seu entorn i s’exposen les conclusions que s’extreuen d’aquesta memòria.
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Reactive transport modelling of cement-groundwater-rock interaction at the Grimsel Test Site

dt., 08/22/2017 - 18:24
Reactive transport modelling of cement-groundwater-rock interaction at the Grimsel Test Site Chaparro Sánchez, Maria Carme; Saaltink, Maarten Willem; Soler Matamala, Josep M. An in situ experiment at the Grimsel Test Site (Switzerland) to study water-cement-rock interaction in fractured granite was modelled. It consisted of a hardened cement source in a borehole intersecting a water conducting fracture. Grimsel groundwater was injected into this borehole. Two other boreholes at about 0.56 m and 1.12 m from the emplacement borehole were used to monitor the evolution of water composition for 5 years. The modelling approach was based on a 1D radial model for the emplacement borehole and a small volume of rock (fault gouge) around it, and a 2D model for the rest of the domain. The results of the 1D model were used as input for the 2D model. Both models showed dissolution of the fault gouge minerals. Results from the 1D model showed dissolution of portlandite in the cement with an increase in porosity. The 2D model showed a reduction in porosity in the fault gouge due to mineral precipitation. Near the emplacement borehole ettringite precipitated. At the centre of the plume there was precipitation of C-A-S-H and hydrotalcite. At the edge of the hyperalkaline plume calcite, hydrotalcite and illite precipitated.
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Reactive transport modelling of a high-pH infiltration test in concrete

dt., 08/22/2017 - 17:53
Reactive transport modelling of a high-pH infiltration test in concrete Chaparro Sánchez, Maria Carme; Soler Matamala, Josep M.; Saaltink, Maarten Willem; Mäder, URS A laboratory-scale tracer test was carried out to characterize the transport properties of concrete from the Radioactive Waste Disposal Facility at El Cabril (Spain). A hyperalkaline solution (K-Ca-OH, pH = 13.2) was injected into a concrete sample under a high entry pressure in order to perform the experiment within a reasonable time span, obtaining a decrease of permeability by a factor of 1000. The concentrations of the tracers, major elements (Ca2+, SO42-, K+ and Na+) and pH were measured at the outlet of the concrete sample. A reactive transport model was built based on a double porosity conceptual model, which considers diffusion between a mobile zone, where water can flow, and an immobile zone without any advective transport. The numerical model assumed that all reactions took place in the immobile zone. The cement paste consists of C-S-H gel, portlandite, ettringite, calcite and gypsum, together with residual alite and belite. Two different models were compared, one with portlandite in equilibrium (high initial surface area) and another one with portlandite reaction controlled by kinetics (low initial surface area). Overall the results show dissolution of alite, belite, gypsum, quartz, C-S-H gel and ettringite and precipitation of portlandite and calcite. Permeability could have decreased due to mineral precipitation.
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SIASAR: a country-led indicator framework for monitoring the rural water and sanitation sector in Latin America and the Caribbean

dt., 08/22/2017 - 17:38
SIASAR: a country-led indicator framework for monitoring the rural water and sanitation sector in Latin America and the Caribbean Requejo Castro, David; Giné Garriga, Ricard; Flores Baquero, Óscar; Martínez Crespo, Gonzalo; Rodríguez Serrano, Antonio; Jiménez Fernández de Palencia, Alejandro; Pérez Foguet, Agustí The provision of water supply, sanitation and hygiene services has emerged as a top priority in the development agenda in Latin American and the Caribbean. In light of the investments envisaged to reach the targets set by the Sustainable Development Goals (SDGs), Information Systems (IS) will play a key role in improving decision-making. In this context, this article introduces a country-led and global IS, which is increasingly implemented in a number of countries across Latin America and the Caribbean as a policy instrument to support national and local decision-making: the Rural Water Supply and Sanitation Information System (SIASAR). It includes a comprehensive framework for data collection, data analysis and data dissemination that simultaneously fulfils different stakeholders’ needs. This article analyses these three key monitoring issues from the viewpoint of stakeholders’ involvement. Results indicate that SIASAR represents a suitable monitoring framework to analyse sustainable services and the level of service delivered. Additionally, it is highlighted the advantages of adopting a continued participatory approach in system development, namely i) the stimulation of experience exchange and knowledge sharing among recipient counties, ii) the promotion of learning-by-doing, and iii) an increase of regional understanding, collaboration and comparison.
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Determination of the energy release rate function for an eccentrically notched center-loaded beam using elastic fracture analysis

dt., 08/22/2017 - 17:20
Determination of the energy release rate function for an eccentrically notched center-loaded beam using elastic fracture analysis García Álvarez, Víctor Óscar; Gettu, Ravindra; Carol, Ignacio The center-loaded beam with an eccentric notch is a simple test setup for studying non-planar fracture, which is a common cracking mode in structural elements. This work presents a methodology for obtaining the relations between the energy release rate and crack extension for this geometry, considering two different notch eccentricities. The finite element analysis is based on linear elastic fracture mechanics and the method of virtual crack extension, and can be applied to other geometries and notch eccentricities. Using the energy release rate and the crack path, the mode I and mode II components of the stress intensity factor have been obtained. The crack paths used in the analysis have been obtained from tests of concrete and polymethylmethacrylate beams, in order to study the effect of both tortuous and smooth cracks on the mode II fracture component.
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Flexural response of multi-stiffened aluminium beams in dock platforms

dt., 08/22/2017 - 17:06
Flexural response of multi-stiffened aluminium beams in dock platforms Chacón Flores, Rolando Antonio; Mirambell Arrizabalaga, Enrique; Arrayago Luquin, Itsaso In this paper, the flexural response of extruded wrought aluminium girders is presented. This structural element is intended for usage in marine structures such as light docks, marinas and yacht ports. Ease of use, durability, reduced weight, manoeuvrability and the potential development of bespoke sections are appealing properties in such structures that are fulfilled satisfactorily by this type of aluminium elements. Both experimental and numerical analyses are presented. Experimentally, modules of the girders are tested with loading about both minor and major axes. Numerically, the tests are satisfactorily reproduced for the sake of validation and a subsequent exploitation of the model is addressed for further study of the structural response of the girders. A discussion of the results is presented with some design recommendations of these particular structural elements.
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Simplified qualitative discrete numerical model to determine cracking pattern in brittle materials by means of finite element method

dt., 08/22/2017 - 15:47
Simplified qualitative discrete numerical model to determine cracking pattern in brittle materials by means of finite element method Ochoa Avendaño, J.; Garzon Alvarado, D. A.; Linero Segrera, Dorian Luis; Cerrolaza Rivas, Miguel Enrique This paper presents the formulation, implementation, and validation of a simplified qualitative model to determine the crack path of solids considering static loads, infinitesimal strain, and plane stress condition. This model is based on finite element method with a special meshing technique, where nonlinear link elements are included between the faces of the linear triangular elements. The stiffness loss of some link elements represents the crack opening. Three experimental tests of bending beams are simulated, where the cracking pattern calculated with the proposed numerical model is similar to experimental result. The advantages of the proposed model compared to discrete crack approaches with interface elements can be the implementation simplicity, the numerical stability, and the very low computational cost. The simulation with greater values of the initial stiffness of the link elements does not affect the discontinuity path and the stability of the numerical solution. The exploded mesh procedure presented in this model avoids a complex nonlinear analysis and regenerative or adaptive meshes.
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Full slenderness range DSM approach for stainless steel hollow cross-section columns and beam-columns

dt., 08/22/2017 - 15:01
Full slenderness range DSM approach for stainless steel hollow cross-section columns and beam-columns Arrayago Luquin, Itsaso; Rasmussen, Kim J.R.; Real Saladrigas, Esther The behaviour of austenitic, ferritic and duplex stainless steel Rectangular and Square Hollow Section members subjected to compression and combined loading is investigated in this paper. A full slenderness range Direct Strength Method (DSM) approach is proposed based on experimental results and numerical strengths obtained from FE parametric studies. The method accounts for local buckling effects and enhanced material properties are also incorporated for those members stable enough to allow partial yielding of the cross-sections. The proposed method is based on strength curves previously provided for cross-sections although additional limitations have been adopted. The DSM approach for columns is based on existing buckling curves and provides accurate resistance predictions for slender and stocky cross-sections. The proposed DSM approach for beam-columns also improves capacity predictions for stocky and slender cross-sections obtained from the traditional methods for different bending moment distributions. This is attributed to the fact that the beam-column behaviour is directly calculated with a unique strength curve, considering the member and section slendernesses based on the elastic instabilities of the section subjected to the actual stress distribution instead of calculating the compressive and flexural strengths independently and combining these through an interaction equation, as is the traditional uncoupled approach. Finally, a reliability study of the full slenderness range DSM approach is presented to determine resistance factors for the different stainless steel grades columns and beam-columns
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Disseny d'una aplicació (app), per a dispositius mòbils (smartphones), per la captura de dades cinemàtiques d'un vehicle

dt., 08/22/2017 - 14:35
Disseny d'una aplicació (app), per a dispositius mòbils (smartphones), per la captura de dades cinemàtiques d'un vehicle Camúñez Llanos, Rubén En aquest treball s'estudiarà la aplicabilitat d'un dispositiu mòbil per a fer-lo servir com a eina per a capturar les dades cinemàtiques de posició, velocitat i acceleració d'un vehicle. Caldrà dissenyar els algorismes matemàtics que permetin el tractament de les dades estimant i corregint els errors de captació i implementar l'app.
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On the fractional Yamabe problem with isolated singularities and related issues

dl., 08/21/2017 - 02:34
On the fractional Yamabe problem with isolated singularities and related issues Torre Pedraza, Azahara de la My research is based on non-local elliptic semilinear equations in conformal geometry. The fractional curvature is defined from the conformal fractional Laplacian and it is a non-local version of some of the classical local curvatures such as the scalar curvature, the fourth-order Q-curvature or the mean curvature. This new notion of non-local curvature has good conformal properties that allow to treat classical problems from a more general convexity point of view. Note that the fractional curvature in my research is different from the one defined by Caffarelli, Roquejoffre and Savin . In particular, I have worked on the fractional singular Yamabe problem and related issues. This problem arises in conformal geometry when we try to find a conformal metric to a given one having constant fractional curvature and prescribed singularities. The precise problem I considered in my thesis was to find solutions for the fractional Yamabe problem in the Eucliden space of dimension bigger than 2¿, 0<¿<1, with prescribed isolated singularities: first, I just considered radial solutions when there is an isolated singularity and, later, the problem of removing a finite number of points. This thesis consists of nine chapters. First, we give is a brief introduction and summary of the thesis. Next, provide some background, notation and known results. Later, we show the main results, i.e, Chapters 3, 4, 5 and 6. After this, we introduce the research plan to come. The thesis also has two appendixes with useful computations. I started my research focusing on the geometric interpretation of the problem for an isolated singularity (Chapter 3). This study is based on an extension problem for the computation of the conformal fractional Laplacian. This is a Dirichlet-to-Neumann problem for a degenerate elliptic, but local, equation, which gives an example of a boundary reaction problem where the nonlinearity is of power type with the critical Sobolev exponent. Later, I treated the problem as an integro-differential equation, facing two main difficulties: the lack of compactness and the fact that we are dealing with a non-local ODE (Chapter 4) . Our study is carried out using variational methods and it proves the existence of Delaunay-type solutions for the problem. These are radially symmetric metrics with constant fractional curvature. Finally, I applied some gluing methods together with a Lyapunov reduction to construct solutions for the singular fractional Yamabe problem when the singular set consists of a given finite number of points (Chapter 5). At the moment, I am working on the fractional Caffarelli-Kohn-Nirenberg inequality, which is an interpolation between the Hardy and Sobolev fractional inequalities. In particular, I am looking at the radial symmetry or symmetry breaking of the minimizers (Chapter 6). I have collaborated with Weiwei Ao (University of British Columbia), María del Mar González (Universidad Autónoma de Madrid), Manuel del Pino (Universidad de Santiago, Chile) and Juncheng Wei (University of British Columbia).; Mi investigación se basa en ecuaciones no-locales elípticas semilineales que surgen en la geometría conforme. La curvatura fraccionaria se define partir del Laplaciano fraccionario conforme y es una versión no local de algunas de las curvaturas locales clásicas tales como la curvatura escalar, la Q-curvatura (operador de orden 4) o la curvatura media. Esta nueva noción de curvatura no-local tiene buenas propiedades conformes que permiten tratar problemas clásicos desde un punto de vista de convexidad más general. Debemos tener en cuenta que se trata de una curvatura fraccionaria distinta a la definida por Caffarelli, Roquejoffre y Savin . En particular, he trabajado en el problema de Yamabe singular fraccionario y problemas relacionados. Se trata de un problema que aparece en la geometría conforme cuando intentamos encontrar una métrica conforme a la dada en una variedad, que tenga curvatura fraccionaria constante y singularidades prescritas. Más concretamente, el problema que he considerado para mi tesis es encontrar soluciones para el problema de Yamabe fraccionario en el espacio Euclídeo de dimensión mayor que 2¿, 0<¿<1, con singularidades aisladas prescritas: en primer lugar, consideré sólo soluciones radiales para una singularidad aislada y más adelante, soluciones para este problema cuando el conjunto singular consta de un número finito de puntos. La tesis está compuesta por nueve capítulos. En primer lugar, hacemos una introducción a modo de sumario de la tesis. Después, hay un capítulo conocimientos básicos, notación, historia del problema y resultados previos. En los capítulos 3,4,5 y 6 presentamos los principales resultados de la tesis, que resumimos más abajo. Finalmente, presentamos brevemente la idea de trabajo para el futuro cercano. En la tesis podemos encontrar también, dos apéndices con cálculos y resultados que serán útiles en la lectura de la tesis. El comienzo de mi investigación se basó en la interpretación geométrica del problema para un singularidad aislada (Capítulo 3). Este estudio parte del problema de extensión para calcular el Laplaciano fraccionario conforme. Se trata de un problema Dirichlet-to-Neumann para una ecuación elíptica, pero local, que proporciona un ejemplo del problema de reacción con borde en el que la no-linearidad es del tipo exponente crítico de Sobolev. Más adelante, traté el mismo problema pero desde el punto de vista de una ecuación integro diferencial. Este método presenta dos dificultades principales: la pérdida de compacidad y el hecho de que estamos tratando con una ODE( ecuación diferencial ordinaria ) no local (Capítulo 4). Nuestro estudio es llevado a cabo utilizando el método variacional y prueba la existencia de soluciones ¿del tipo Delaunay¿ para nuestro problema. Estas soluciones son radialmente simétricas y tienen curvatura fraccionaria constante. Por último, he utilizado métodos de "gluing" (o pegado) junto con el método de reducción de Lyapunov para la construcción de soluciones para el problema de Yamabe singular fraccionario cuando el conjunto singular dado está formado por un número finito de puntos (Capítulo 5). Actualmente, estoy trabajando en la generalización de la desigualdad de Caffarelli-Kohn-Nirenberg al caso fraccionario; se trata de una interpolación entre las desigualdades de Hardy y Sobolev fraccionarias. En particular, estoy estudiando la simetría o pérdida de simetría de los minimizantes (Capítulo 6). En la investigación presentada en esta tesis he colaborado con Weiwei Ao (University of British Columbia), María del Mar González (Universidad Autónoma de Madrid), Manuel del Pino (Universidad de Santiago, Chile) y Juncheng Wei (University of British Columbia).
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Quantum measurements with cold atomic ensembles

dl., 08/21/2017 - 02:34
Quantum measurements with cold atomic ensembles Colangelo, Giorgio This thesis describes quantum measurements of an ensemble of cold rubidium-87 atoms. We extend the covariance matrix formalism to spin-1 systems, including effects of decoherence, losses due to probing and atom number fluctuations. We show that the model can reproduce perimental results of both the mean and variance of a Faraday rotation measurement of the free induction decay signal of a coherent spin state precessing in an inhomogeneous magnetic field. We derive linearization procedures for Faraday measurements with high rotation angles and develop a fast differential photodetector that allows high dynamic range detection. We also study how to experimentally calibrate the reference quantum noise level under inhomogeneous light-atom interaction. We show that two non-commuting collective spin observables describing the atomic ensemble can be simultaneously known with sensitivity beyond classical limits, producing a planar quantum squeezed state. We theoretically study this state's metrological advantages and we find optimal conditions for its realization. Finally, using quantum non-demolition (QND) measurements of an atomic coherent state precessing under an orthogonal magnetic field, we track the radial and the angular component of the collective spin of the atomic ensemble below Poisson statistics and below the projection noise level by 7.0 dB and 2.9 dB respectively. The final topic of this thesis is the investigation of measurement backaction as a genuine quantum signature through the violation of Leggett-Garg inequalities. The use of QND measurements, which does not perturb the measured quantity, provide a way to certify such violations as due to true quantum effects rather than other possible classical disturvbance caused by the measurement. The use of Gaussian states described by covariance matrix calculations indicates these techniques can be applied to truly macroscopic systems.; Esta tesis describe medidas cuánticas en una nube de átomos fríos de rubidio-87. Extendemos el formalismo de matriz de covariancia a sistemas de espin-1, incluyendo decoherencias, pérdidas debidas a la luz de prueba y fluctuaciones del número de átomos. Mostramos que el modelo puede reproducir los resultados experimentales de medias y variancias de medidas de rotación de Faraday de una señal de decaimiento libre de inducción de un estado coherente de spin rotando en un campo magnético. Derivamos procedimientos de linearizacion para medidas de Faraday con ángulos de rotación grandes y desarrollamos un fotodetector rápido que permite la detección en rango dinámico alto. En esta tesis estudiamos también el problema de interacción luz-átomos en el caso de acoplamiento inhomogéneo y calibramos experimentalmente el nivel de ruido cuántico. Demostramos que dos observables colectivas de espín que describen la nube atómica que no conmutan se pueden conocer simultáneamente con precisión más allá de los límites clásicos, produciendo un estado cuántico planar comprimido. Estudiamos teóricamente sus ventajas metrológicas y encontramos condiciones óptimas para su realización. Así mismo, utilizando medidas cuánticas no desctructivas (QND) en un estado atómico coherente rotando en un campo magnético ortogonal, monitorizamos las componentes radial y angular del spin colectivo de la nube de átomos 7.0 dB por debajo de la estadística Poissoniana y 2.9 dB por debajo del nivél del ruido de proyección. El último resultado de esta tesis es la investigación del contra-efecto de la medida como un auténtico efecto cuántico a través de la violación de las desigualdades de Leggett-Garg. El uso de las medidas QND, que no perturban la observable medida, permite considerar las violaciones como en verdadero efecto cuántico en lugar de otros posibles efectos clásicos causados por la medida. Por otro lado el uso de estados Gaussianos usado en los cálculos de matriz de covariancia puede ser aplicado también a sistemas verdaderamente macroscópicos.
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Gonio-hyperspectral imaging system based on light-emitting diodes for the analysis of automotive coatings

dl., 08/21/2017 - 02:34
Gonio-hyperspectral imaging system based on light-emitting diodes for the analysis of automotive coatings Burgos Fernández, Francisco Javier Goniochromatic pigments, such as automotive coatings, are known by their appearance changes - especially of colour and visual texture - as a function of the angles of illumination and observation; they are classified as pearlescent (chroma and hue shifts) and metallic pigments (lightness variations). For this reason, their characterization through precise spectral and spatial data is of great importance in the industry. Accordingly, the main goal of this thesis is the development of a gonio-hyperspectral imaging system capable of acquiring spectral images with high spatial resolution using different angular configurations of illumination and observation. Conventional commercial systems used for this purpose provide accurate spectral information but they lack from spatial resolution as they use generally a photodiode and not an imaging sensor. The system has been designed to cover part of the ultraviolet (UV), the visible (VIS), and part of the infrared (IR) range of the electromagnetic spectrum. This thesis was primarily focused on the design, characterisation, validation and application of the system, which is based on light-emitting diodes (LEDs). It includes a LED-based light source with 28 spectral bands from 368 nm to 1309 nm and one with white illumination, which can be automatically positioned in front of the sample; additionally, it has a CCD camera with sensitivity from 200 nm to 1000 nm and an InGaAs camera with sensitivity from 900 nm to 1750 nm; a motorised rotation stage that controls the angle of observation by rotating the cameras around the sample and another that controls the angle of illumination by moving the sample are also used. 30 pearlescent, 30 metallic and 30 solid samples of commercial automotive coatings were characterized by means of the system to analyse their spectral reflectance and colour at different geometries, following the DIN 6175-2, ASTM E2194, and ASTM E2539 standards; the textural effects of sparkle, graininess and mottling were also evaluated. Purpose-built graphical user interfaces to control the hardware and processing the information obtained with the system were implemented. The spectral and colorimetric performance of the system was evaluated in the VIS using the colour-difference formulas CIEDE2000 and AUDI2000, the mean absolute error (MAE), the root mean square error (RMSE), and the goodness-of-fit coefficient (GFC) with respect to two commercial gonio-spectrophotometers, the BYK-mac® and the X-Rite MA98®; the IR range was validated through the MAE, RMSE, and GFC with respect to the spectrometer INSTRUMENT SYSTEMS SPECTRO 320®. Regarding textural measurements, new specific indices - mainly based on first and second order statistics - have been developed in this thesis for the assessment of sparkle, graininess and mottling; the results of sparkle and graininess were compared with those of the BYK-mac® while the mottling assessment was only validated through visual observations. The system provided accurate results concerning spectral and colorimetric data for the VIS and IR range when compared with those of the reference devices. The largest differences were found for those geometries close to the specular reflection. Sparkle and graininess assessments also led to precise results, especially when applying the developed indices. Mottling results allowed to clearly differentiate between samples with and without this effect. The spectral analysis of these three textural descriptors also revealed very useful information that contributed with new measurement approaches. In conclusion, the results obtained in this thesis demonstrate the potential of the developed gonio-hyperspectral imaging system based on LEDs for the assessment of spectral, colorimetric and textural information of goniochromatic pigments in the UV, VIS and IR regions.; Los pigmentos goniocromáticos, como las pinturas de automóviles, son conocidos por sus cambios de apariencia -especialmente de color y textura visual - en función de los ángulos de iluminación y observación; estos se clasifican en pigmentos perlados (cambios de tono y croma) y metalizados (variaciones de luminosidad). Por esta razón, su caracterización mediante información espectral y espacial es de gran importancia para la industria. Par lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un sistema gonio-hiperespectral capaz de adquirir imágenes espectrales con elevada resolución espacial utilizando diferentes configuraciones angulares de iluminación y observación. Los sistemas comerciales convencionales proporcionan información espectral precisa, pero carecen de resolución espacial ya que generalmente incorporan un fotodiodo y no un sensor de imagen. El sistema se ha diseñado para cubrir parte de los rangos ultravioleta (UV), visible (VIS) y parte del infrarrojo (IR) del espectro electromagnético. Esta tesis se centró principalmente en el diseño, caracterización, validación y aplicación del sistema, el cual está basado en diodos emisores de luz (LEDs). Este incluye una fuente de luz LED con 28 bandas espectrales desde 368nm hasta 1309nm y una con iluminación blanca, las cuales se posicionan automáticamente delante de la muestra; además, incorpora una cámara CCD con sensibilidad desde 200nm hasta 1000nm y una lnGaAs sensible desde los 900nm hasta los 1750nm; una plataforma rotatoria que controla el ángulo de observación a través la rotación de las cámaras alrededor de la muestra y otra que controla el ángulo de iluminación rotando la muestra. 30 muestras perladas, 30 metalizadas y 30 sólidas de pigmentos comerciales de automóviles fueron caracterizadas mediante el sistema para analizar su reflectancia espectral y color en las diferentes geometrías, siguiendo las normas DIN 6175-2, ASTM E2194 y ASTM E2539; los efectos de textura de destello- sparkle-, granulado - graininess - y moteado - mottling - también se evaluaron. Se implementaron interfaces de usuario especialmente desarrolladas con el propósito de controlar los diferentes componentes y procesar la información obtenida. El desempeño espectral y colorimétrico se analizó en el rango VIS utilizando las fórmulas de diferencia del color CIEDE2000 y AUDl2000, el error absoluto media (MAE), la raíz del error cuadrático media (RMSE) y el coeficiente de bondad de ajuste (GFC) respecto a los resultados proporcionados par dos gonio-espectrofotómetros comerciales, el BYK-mac® y el X-Rite MA98®; el rango IR se validó mediante el MAE, el RMSE y el GFC en comparación con el espectrómetro INSTRUMENT SYSTEMS SPECTRO 320®. Respecto a las medidas de textura, nuevos índices -principalmente basados en estadísticos de primer y segundo orden- se desarrollaron para el análisis del destello, granulado y moteado; los resultados de destello y granulado se compararon con los obtenidos por el BYKmac ® mientras que la evaluación del moteado solo se validó con observaciones visuales. El sistema proporcionó resultados precisos en relación a los datos espectrales y colorimétricos para los ranges VIS e IR cuando se compararon con los de los instrumentos de referencia. Las mayores diferencias se dieron para las geometrías más cercanas al reflejo especular. Los análisis de destello y granulado también produjeron resultados precisos, especialmente al aplicar los índices desarrollados. Los resultados de moteado permitieron diferenciar claramente entre las muestras con y sin este efecto. La evaluación espectral de estos tres descriptores de textura también reveló información muy relevante que contribuyó con nuevos métodos de medida. En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis demuestran el potencial del sistema gonio-hiperespectral basado en LEDs desarrollado para el análisis de información espectral, colorimétrica y de textura de pigmentos goniocromáticos en el UV, VIS e IR.
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Enzymatic-assisted preparation of nanocrystalline cellulose from non-wood fibers

dl., 08/21/2017 - 02:33
Enzymatic-assisted preparation of nanocrystalline cellulose from non-wood fibers Beltramino Heffes, Facundo In the current scenario of growing environmental concerns, the search for innovative, renewable, non-polluting materials has never been as intensive as it is today. Cellulose, being the most abundant polymer on earth, offers a wide range of possibilities for fulfilling current and potential future needs for novel materials. In this direction, research in the field of nanocrystalline cellulose (NCC) has attracted a great interest in recent years. However, this great interest has been shadowed by the low yields yet offered by published works concerning this matter. With the aim of addressing this issue from a biotechnological perspective and therefore increasing the industrial feasibility of NCC, this doctoral thesis deals with the introduction of an enzymatic pretreatment into the NCC preparation process in combination with a controlled sulfuric acid hydrolysis. This work is part of the research conducted by the CELBIOTECH group (UPC_BarcelonaTech) within the framework of Spain’s MINECO projects FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109), and BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R) projects. The first part of this thesis involved a comprehensive characterization of a series of bleached cellulosic raw materials for the proper selection of the one fitting best each specific study. In the second part an enzymatic pretreatment using a cellulase was performed on fibers prior to acid hydrolysis for NCC preparation for the first time. For this, cotton linters, a pure cellulosic source was used. It was found that this pretreatment was capable of significantly increasing process yield while it also influenced other NCC characteristics such as their size and electrical charge. Also, it was observed that the magnitude of the effects of the enzymatic pretreatment on NCC were strongly dependent on the subsequent conditions used for acid hydrolysis. With the aim of maximizing process yield and the influence of the cellulase pretreatment, the third and fourth parts of the thesis involved the optimization of the acid hydrolysis and enzymatic pretreatment steps, respectively. For this, two 23 and a complete 22 experimental designs were carried out. As a result of these optimizations a total yield of ≈ 82% was reached and the required time for enzymatic pretreatment and acid hydrolysis were reduced in a 90% and a 44%, down to 2h and to 25 minutes, respectively, dramatically increasing the industrial feasibility of the process. Being high-cellulose content fibers the preferential source for NCC, the fifth part of this thesis involved removal of hemicelluloses for purification of totally chlorine-free (TCF) sisal fibers throughout treatments with hydrolases in combination with alkaline extraction. These treatments led to fibers with high- cellulose content (≈ 96 %). Then, in the sixth part of this work these high-cellulose content sisal fibers were used as a cellulose source for NCC using optimal enzymatic and chemical conditions. This final section demonstrated that the enzymatic pretreatment was a promising first step for NCC production regardless of the used raw material and highlighted the benefits of hemicelluloses removal in the efficiency of isolation and NCC quality. This thesis also sought for a better understanding of reaction mechanisms and chemical and structural modifications of cellulose in each studied step using analytical techniques such as SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR and UV-visible spectroscopy. Furthermore we understood that the enzymatic pretreatment also allowed a better exploitation of the used natural resources by generating a clean stream of easily-profitable oligosaccharides as a by-product, better integrating NCC manufacture within the biorrefinery concept; En el marco actual de creciente preocupación por la conservación del medio ambiente, la búsqueda de materiales innovadores, renovables y no contaminantes es más intensa que nunca. En ésta dirección, la celulosa, el polímero más abundante de la tierra, posee un gran potencial para satisfacer las necesidades actuales y futuras de nuevos materiales. Dentro de éstas posibilidades, la investigación relacionada con la Celulosa Nanocristalina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atraído un gran interés durante los últimos años. Sin embargo, este gran interés se ha visto opacado por los bajos rendimientos generalmente obtenidos en trabajos publicados sobre este tema hasta la actualidad. Con el objetivo general de incrementar la viabilidad industrial de la NCC y abordando este asunto desde una perspectiva biotecnológica, la presente tesis doctoral trata sobre la introducción de un pretratamiento enzimático en el proceso de preparación de NCC en combinación con una hidrólisis controlada usando ácido sulfúrico. Este trabajo es parte de la investigación llevada a cabo por el grupo CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) en el marco de los proyectos del Mineco (España): FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) y BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera parte de la tesis consistió en la caracterización detallada de una serie de materias primas celulósicas blanqueadas, con la finalidad de poder escoger la más adecuada para cada uno de los estudios a realizar. En la segunda parte de la tesis, un pretratamiento enzimático sobre fibras con una celulasa como paso previo a la preparación de NCC vía hidrólisis ácida fue realizado por primera vez. Para ello se utilizaron linters de algodón, una fuente de celulosa pura. Se observó que este pretratamiento era capaz de incrementar significativamente el rendimiento de la hidrólisis a la vez que influenciaba otras características de la NCC, como su tamaño y carga eléctrica. Además, advertimos que la magnitud de los efectos del pretratamiento sobre la NCC eran fuertemente dependientes de las condiciones de hidrólisis ácida posteriormente utilizadas. Con el objetivo de maximizar el rendimiento del proceso y también la influencia del pretratamiento enzimático, la tercera y cuarta parte de la presente tesis consistieron en la optimización de la hidrólisis ácida y del pretratamiento enzimático, respectivamente. Para ello se realizaron dos planes estadísticos del tipo 23 y uno 22. Como resultado de estas optimizaciones se alcanzó un rendimiento total de ≈ 82%. Paralelamente, se consiguió también reducir el tiempo de pretratamiento enzimático y de hidrólisis ácida un 90% y un 44% hasta 2h y a 25 minutos, respectivamente, incrementando así la viabilidad industrial del proceso estudiado. Siendo las fibras de alto contenido en celulosa la materia prima preferente para la preparación de NCC, la quinta parte de ésta tesis trató sobre la eliminación de hemicelulosas para la purificación de fibras de sisal TCF (Totally chlorine-free, totalmente libres de cloro) mediante tratamientos con hidrolasas en combinación con una extracción alcalina. Por medio de éstos, se produjeron fibras con un alto contenido en celulosa (≈ 96 %). Finalmente, en la sexta parte de la tesis estas fibras con alto contenido en celulosa fueron utilizadas como fuente para preparar NCC usando las condiciones enzimáticas y químicas óptimas. Esta sección final demostró que el pretratamiento enzimático constituye una prometedora etapa para la preparación de NCC que funciona independientemente de la materia prima utilizada. Además, remarcó los beneficios de la eliminación de hemicelulosas en la mejora de la eficiencia de hidrolisis y la calidad de la NCC. La presente tesis también persiguió un mejor entendimiento de los mecanismos de reacción y las modificaciones químicas y estructurales de la celulosa en cada paso, para lo cual se utilizaron técnicas analíticas como SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR y espectroscopia UV-visible. Asimismo, se comprendió también que el pretratamiento enzimático implicaba un mejor aprovechamiento de los recursos naturales al generar como sub-producto aguas residuales con un alto contenido en oligosacáridos fácilmente aprovechables. De esta manera se consigue también una mejor integración de la fabricación de NCC en el concepto de la biorefinería.; Dins el marc actual de creixent preocupació per la conservació del medi ambient, la cerca de materials innovadors, renovables, i no contaminants és més intensa que mai. En aquesta direcció, la cel·lulosa, el polímer més abundant a la terra, ofereix un ampli ventall de possibilitats per satisfer les necessitats actuals i futures de nous materials. Dins aquestes possibilitats, la recerca relacionada amb la cel·lulosa nanocristal·lina (NCC, Nanocrystalline cellulose) ha atret un gran interès en els darrers anys. No obstant, aquest interès s’ha vist fins ara opacat pels baixos rendiments generalment reportats en els estudis publicats sobre aquest tema. Amb l’objectiu general d’augmentar la viabilitat industrial de la producció d’NCC i abordant aquest tema des d’una perspectiva biotecnològica, la present tesi doctoral estudia la introducció d’un pretractament enzimàtic en el procés de preparació d’NCC tot combinant-lo amb una hidròlisi controlada amb àcid sulfúric. Aquest treball es part de la recerda duta a terme pel grup CELBIOTECH (UPC_BarcelonaTech) dins el marc dels projectes del Mineco: FUNCICEL (CTQ 2009-12904), BIOFIBRECELL (CTQ2010-20238-C03-01), BIOSURFACEL (CTQ2012-34109) i BIOPAPμFLUID (CTQ2013-48995-C2-1-R). La primera part de la tesi va consistir en la caracterització detallada d’una sèrie de matèries primeres cel·lulòsiques blanquejades, amb l’objectiu de poder escollir la més adequada per cadascun dels estudis a realitzar. En la segona part de la tesi, un pretractament enzimàtic sobre fibres amb una cel·lulasa com a pas previ a la preparació d’NCC via hidròlisi àcida va ser realitzat per primera vegada. Per aquest estudi es van utilitzar línters de cotó, una font de cel·lulosa pura. Es va observar que el pretractament era capaç d’incrementar significativament el rendiment de la hidròlisi a la vegada que influenciava altres característiques de l’NCC, com ara la seva mida i càrrega elèctrica. Altrament, es va advertir que la magnitud dels efectes d’aquest pretractament era fortament depenent de les condicions d’hidròlisi àcida posteriorment utilitzades. Amb l’objectiu de maximitzar el rendiment del procés i també la influència del pretractament enzimàtic, la tercera i quarta part de la tesi va consistir en l’optimització de la hidròlisi àcida i el pretractament enzimàtic, respectivament. Per això van ser realitzats dos plans estadístics del tipus 23 i un de 22. Com a resultat d’aquestes optimitzacions es va aconseguir un rendiment total de ≈ 82%. Paral·lelament, els temps de pretractament enzimàtic i d’hidròlisi àcida van ser reduïts un 90% i un 44%, fins a 2 hores i 25 minuts respectivament, tot augmentant la viabilitat industrial d’aquest procés. Essent les fibres d’alt contingut en cel·lulosa la matèria primera preferent per a la preparació d’NCC, la cinquena part de la tesi va tractar sobre l’eliminació d’hemicel·luloses per a la purificació de fibres TCF de sisal (Totally chlorine-free, totalment lliures de clor) mitjançant tractaments amb hidrolases en combinació amb una extracció alcalina. Per mitjà d’aquests tractaments es van produir fibres amb un alt contingut en cel·lulosa (≈ 96 %). Finalment, en la sisena part de la tesi aquestes fibres d’alt contingut en cel·lulosa van ser utilitzades com a font per la preparació d’NCC fent servir les condicions enzimàtiques i químiques òptimes trobades anteriorment. Aquesta secció final va demostrar que el pretractament enzimàtic constitueix una prometedora etapa per a la preparació d’NCC que funciona independentment de la matèria primera utilitzada. A més a més, va remarcar els efectes positius de la eliminació d’hemicel·luloses en la millora de l’eficiència d’hidròlisi i la qualitat de l’NCC. La present tesi també va perseguir una millor comprensió dels mecanismes de reacció i les modificacions químiques i estructurals de la cel·lulosa a cada pas, per la qual cosa es van utilitzar tècniques analítiques com ara SEM, TEM, DLS, WCA, HPLC, FTIR i espectroscòpia UV-visible. Tanmateix, aquest treball va permetre entendre que el pretractament enzimàtic també implica un millor aprofitament dels recursos naturals al generar com a sub-producte aigües amb un alt contingut en oligosacàrids fàcilment aprofitables. Així, es permet també un millor encaix de la fabricació d’NCC dins el concepte de la biorrefinería.
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Electronic & ionic conduction & correlated dielectric relaxations in molecular solids

dl., 08/21/2017 - 02:33
Electronic & ionic conduction & correlated dielectric relaxations in molecular solids Zachariah, Manesh The study of crystalline materials has played a prominent role in solid state physics, whose basic theories were formulated for crystalline matter. However, disordered materials are more abundant in nature than crystalline ones, and, moreover, many practical applications use materials which are weakly or strongly disordered, such as molecular crystals, glasses, plastic crystals, liquids, polymers, or liquid crystals. In glasses, for example, the arrangement of the constituent atoms or molecules lacks any long-range order. From a fundamental viewpoint, we still lack an understanding of the properties of disordered materials and of the glass transition: understanding the many fascinating issues related with disorder requires in fact the use of concepts that are far from the well-known solid-state concepts associated with periodicity. From an applied perspective, the intense research in disordered solids is driven by the technological importance of these materials in daily life. From an electrical viewpoint, disordered solids can conduct electricity by transport of either electrons or ions. In the first case, disordered materials display lower electrical conductivity than their crystalline counterparts, due to localization of conduction electrons due to disorder, so that electron hopping is the main charge transport mechanism. On the other hand, the same disorder may allow the diffusion of ions through interstitial sites; the ionic conductivity of disordered materials is normally higher than the crystalline counterparts. This thesis presents an experimental study of the conduction properties and molecular dynamics of molecular solids made of fullerene derivatives (C60Br6, C60(ONa)24) and of dinitrile molecules such as succinonitrile (C2H4(CN)2) and glutaronitrile (C3H6(CN)2). The studied materials display, depending on the case, mainly electronic, protonic, or ionic conduction. The thesis provides insight into the different possible types of charge conduction in organic molecular materials and on related physical processes such as space-charge relaxations. In C60Br6 we observe n-type electronic conduction below room temperature and a non-trivial phase behavior. The temperature dependence of the dc conductivity of this organic semiconductor is in agreement with the variable-range hopping model. C60(ONa)24 has even richer phase behavior. It is synthesized as a polycrystalline hydrate, and can be obtained as pure material by heating to high temperature. We show that while the pure material is an n-type (electron) semiconductor, exposing it to humid atmosphere leads to a dramatic conductivity enhancement due to charge transport through the hydration layers, which is likely mediated by a proton exchange mechanism as in bulk water and ice. We also show that the dc conductivity of the hydrate is strongly temperature dependent across the dehydration process, and that both pure and hydrated forms display a conductivity-related dynamic process associated with accumulation of electrons at grain boundaries. The presence of water has strong impact on such frequency-dependent charge-accumulation dynamics. We finally analyze the relaxation dynamics and the ionic conductivity of plastic-crystalline ionic conductors, in particular the plastic cocrystals of succinonitrile with glutaronitrile. In plastic crystals, the molecules occupy lattice sites but undergo free rotational motions about their centers of mass. We find that succinonitrile-glutaronitrile cocrystals are the first ever known plastic crystals to display a perfect correlation between the ion drift and the on-site reorientational dynamics. Doping the cocrystals with Li salts boosts the conductivity but breaks down this perfect correlation. This indicates that the rotation-drift correlation is only valid when charge transport is dominated by self-diffusion of molecular (dinitrile) ions, and that it is a consequence of the correlation between rotational and diffusional time scales.; El estudio de los materiales cristalinos juega un papel destacado en la física del estado sólido. Sin embargo, los materiales desordenados son más abundantes en la naturaleza que los cristalinos y, además, muchas de las aplicaciones prácticas utilizan materiales que son débilmente o fuertemente desordenados, como vidrios, líquidos, cristales plásticos, cristales moleculares, polímeros, o cristales líquidos. Desde un punto de vista fundamental, aún carecemos de una comprensión de de los materiales desordenados y de la transición vítrea: la comprensión de las propiedades asociadas desorden requiere el uso de conceptos que se alejan de los aplicables al estado cristalino. Desde una perspectiva aplicada, la investigación en los sólidos desordenados está promovida por la importancia tecnológica de estos materiales en la vida cotidiana. Los sólidos desordenados pueden conducir electricidad por transporte de electrones o de iones. En el primer caso, los materiales desordenados muestran menor conductividad que sus respectivas fases cristalinas, debido a la localización de los electrones de conducción por la existencia de desorden, que da lugar a saltos de electrones como principal mecanismo de transporte de carga. Por otro lado, el mismo desorden puede permitir la difusión de iones a través de intersticios; la conductividad iónica de materiales desordenados es más alta que sus fases homólogas cristalinas. Esta tesis presenta un estudio experimental de la conducción eléctrica y de la dinámica molecular de sólidos moleculares formados por derivados de fullereno (C60Br6, C60(ONa)24) o por moléculas con dos grupos nitrilos (succinonitrila (C2H4(CN)2), glutaronitrila (C3H6 (CN)2)). Estos materiales presentan, según el caso, conducción electrónica, protónica, o iónica. La tesis analiza los diferentes tipos de conducción de carga en materiales moleculares así como los procesos físicos relacionados, tales como las relajaciones de carga espacial. En el material C60Br6 observamos conducción electrónica tipo n y un comportamiento de fase no trivial. La dependencia de la conductividad con la temperatura está de acuerdo con el modelo de salto de rango variable (VRH). El C60(ONa)24 tiene un comportamiento de fase aún más rico. Se sintetiza como un hidrato policristalino, y se puede obtener como material puro por calentamiento. Mientras que el material puro es un semiconductor de tipo n, su exposición a una atmósfera húmeda aumenta la conductividad de forma dramática debido al transporte de carga a través de las capas de hidratación, lo que probablemente se debe a un mecanismo de intercambio de protones como en el agua pura o en el hielo. La conductividad del hidrato depende fuertemente de la temperatura en el proceso de deshidratación. Ambas formas, pura e hidratada, muestran un proceso dinámico asociado a la acumulación de electrones en los límites de grano. La presencia de agua tiene un fuerte impacto en tal proceso. Por último se analizan la dinámica molecular y la conductividad iónica de cristales plásticos, en particular, de las aleaciones moleculares en fase plástica formadas entre la succinonitrila y la glutaronitrila. En las fases plásticas las moléculas ocupan los sitios cristalográficos de la red, pero se encuentran orientacionalmente desordenadas. Se demuestra que las aleaciones succinonitrila-glutaronitrila son los primeros cristales plásticos que se conocen en los que existe una correlación perfecta entre la corriente de iones y la dinámica reorientational de las moléculas en los sitios cristalográficos. El dopaje de las aleaciones con sales de Li aumenta la conductividad pero destruye la correlación anterior, lo que indica que la correlación sólo es válida cuando el transporte de carga está dominado por la difusión de iones moleculares. Tal correlación puede ser consecuencia de una correlación entre las escalas de tiempo de rotación y de difusión.
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Dynamic stochastic modeling for inertial sensors

dl., 08/21/2017 - 02:33
Dynamic stochastic modeling for inertial sensors Wis Gil, Mariano Es ampliamente conocido que los modelos de error para sensores inerciales tienen dos componentes: El primero es un componente determinista que normalmente es calibrado por el fabricante en el firmware de la IMU. El segundo es un componente aleatorio que es caracterizado a través de un modelo estocástico que tiene su impacto en la solución de navegación calculada con las observaciones no procesadas obtenidas con dichos sensores. La caracterización de este comportamiento estocástico se apoya en el análisis de observaciones adquiridas en condiciones estáticas. El sensor inercial es aislado de cualquier perturbación externa y se llevan a cabo adquisiciones estáticas de larga duración. Estas observaciones se evalúan a través de herramientas de análisis como la varianza de Allan. Esta herramienta permite caracterizar el modelo estocástico que mejor se ajusta a las observaciones, permitiendo obtener parámetros como el ruido de observación o el bias del sensor, los factores de escala, etcétera. Existen referencias que indican que la caracterización de sensores en condiciones estáticas podría ser imprecisa cuando el sensor está funcionando en entornos no estáticos. Esta es la principal motivación de esta tesis doctoral. De cara a entender la variación del error del sensor con la dinámica aplicada, una serie de campañas experimentales (en laboratorio y en vehículos) fueron llevadas a cabo. Estos experimentos consistieron en un conjunto de IMUs de prueba acopladas a una plataforma rígida a la que a su vez se integraba una IMU de grado de navegación que se utilizaba como referencia. Primero, se debe resolver el alineamiento entre las IMUs de prueba y la IMU de referencia. Un método para calcular dicho alineamiento es presentado en esta tesis. Una vez que la IMU de referencia está correctamente alienada con las observaciones de la IMU en pruebas, y asumiendo que las observaciones de la IMU de referencia son ideales (no tienen errores), las observaciones de ambas IMUS son comparadas. Las diferencias entre ambos conjuntos de observaciones se pueden considerar que son los errores de la IMU en pruebas. El análisis de la varianza de Allan es entonces aplicada a estas diferencias. Se muestra que debido a las limitaciones de esta técnica de análisis y a la longitud del conjunto de datos, la única medida fiable que se puede obtener con la varianza de Allan es el ruido de observación (que normalmente sigue un modelo estocástico de ruido blanco). Por esta razón, esta tesis propone una aproximación diferente al problema. Se demuestra que existe una conexión entre el error del sensor y la dinámica aplicada a dicho sensor. Esta dinámica está caracterizada por las medidas directas del sensor y las derivadas enésimas de de dichas medidas. Por tanto, gracias a esta nueva aproximación, un nuevo modelo de error inercial es mostrado. Este nuevo modelo está compuesto por un sesgo, un factor de escala que afecta a la magnitud medida por el sensor y una serie de coeficientes que multiplican a las enésimas derivadas de las medidas del sensor. Esta tesis establece dos maneras que este modelo se puede usar para determinar estos coeficientes. Si existe un sensor de referencia, el modelo se puede implementar en un ajuste de mínimos cuadrados para estimar dichos coeficientes. El resultado de este ajuste es un conjunto de observaciones “mejoradas” del sensor inercial que pueden procesarse en un navegador INS/GNSS convencional. En caso de no existir el sensor de referencia, la otra opción para determinar los coeficientes es a través de un filtro de Kalman extendido que incorpora dichos coeficientes. En esta tesis, dichos coeficientes fueron implementados y testeados en un navegador INS/GNSS con arquitectura “loosely coupled”. Por lo que conoce el autor de esta tesis, la utilización de las derivadas de las observaciones nunca se han investigado y se demuestra que ayudan a mejorar la precisión de la trayectoria suministrada por el navegador INS/GNSS.; The inertial sensor error model is widely known to have two components. The first is a deterministic component that is usually calibrated by the manufacturer in the IMU integrated firmware and, secondly, there is a random component that is characterized through a stochastic model that has its impact on the navigation solution computed with the raw data obtained with these sensors. The characterization of this stochastic behavior relies on the analysis of datasets acquired under static conditions. The inertial sensor is isolated from any external perturbation and long periods of static acquisitions are conducted. These datasets are then evaluated through complex tools like the Allan variance analysis. This analysis tool lets the stochastic model be determined that best fits with the sensor observation noise, the sensor bias scale factors and so forth. There have been reports that these sensor characterization models start to become inaccurate when the sensor is submitted to non-static environments. This is the main motivation for this PhD thesis. In order to understand the sensor error variation with dynamics, a series of laboratory and vehicular experiments were performed, using a set of IMUs rigidly attached to a navigation grade reference IMU. First, the reference IMU misalignment must be resolved, with respect to the IMU under test (IUT) that was selected for this study. A method for resolving the issue is presented in this thesis. Once the reference IMU data is correctly aligned with the test IMU observations, and assuming that the reference IMU measurements are error-free, observations of the two sensors are compared. The difference between both observations is the error of the sensor from the IMU under test. A classic Allan variance analysis is then applied to this varying error. It is shown that due to the limitations of the Allan variance tool and the length of the dataset, the only reliable measurement that can be obtained by employing the Allan variance analysis is the observation of white noise. For this reason, a different approach is presented in this thesis. A connection is shown between the sensor error and the dynamic applied to the sensor. This dynamic is characterized by the sensor raw measurement and the nth order derivatives of these measurements. Therefore, thanks to this new approach, a new sensor error model is presented. This sensor model is composed of a bias and a scale factor that affects the actual sensed magnitude and a series of nth order derivatives of the sensed magnitude that are multiplied by a coefficient. This thesis sets out two ways that this model can be used to determine these coefficients. If there is a reference sensor, it can be used in a least squares adjustment to estimate these coefficients. The result of this adjustment is "improved" sensor observation that can be processed via an ordinary INS/GNSS navigator. Another way to determine these coefficients is by implementing this new sensor model in an extended Kalman filter. In the case of this thesis, it was implemented and tested in a loosely coupled INS/GNSS. To the knowledge of the author, the utilization of sensor observation derivatives has never been researched and it is demonstrated that it helps to improve the precision of the trajectory provided by the INS/GNSS navigator.; Es àmpliament conegut que els models d’error per a sensors inercials tenen dues components. La primera es una component determinista que normalment es calibrada pel fabricant en el firmware de la IMU. El segon es una component aleatòria que es caracteritzada a traves d’un model estocàstic que te el seu impacte en la solució de navegació calculada amb les observacions no processades obtingudes amb aquests sensors. La caracterització d’aquest comportament estocàstic es recolza en la anàlisi d’observacions adquirides en condicions estàtiques. El sensor inercial es aïllat de qualsevol pertorbació externa i es porten a terme adquisicions estàtiques de llarga durada. Aquestes observacions s’avaluen a través d’eines d’anàlisi com la variança d’Allan. Aquesta eina d’anàlisi permet caracteritzar el model estocàstic que millor s’ajusta a les observacions, permetent obtenir paràmetres com el soroll d’observació, el biaix del sensor, els factors d’escala, etcètera. N’hi han referències que indiquen que la caracterització de sensors en condicions estàtiques podria ser imprecisa quan el sensor està funcionant en entorns no estàtics. Aquesta es la principal motivació d’aquesta tesi doctoral. De cara a entendre la variació del error del sensor amb una dinàmica aplicada, una sèrie de campanyes de mesura experimentals (en laboratori i vehicles) van ser portades a terme. Aquests experiments van consistir en un conjunt d’IMUs de prova acoblades a una plataforma rígida que a la seva vegada integrava una IMU de grau de navegació que s’utilitzava com a referència. Primer de tot, s’ha de resoldre l’alineament entre les IMUs de prova i la IMU de referència. Un mètode per a calcular aquest alineament es presentat en aquesta tesi. Una vegada que la IMU de referència està correctament alineada amb les observacions de la IMU en proves, i assumint que les observacions de la IMU de referència son ideals (no tenen errors), les observacions de ambdues IMUs son comparades. Les diferencies entre els dos conjunts d’observacions es poden considerar que son els errors de la IMU de proves. L’anàlisi de la variança d’Allan es llavors aplicat a aquestes diferències. Es mostra que degut a les limitacions d’aquesta tècnica d’anàlisi i a la durada del conjunt de dades, l’única mesura fiable que es pot obtenir amb la variança d’Allan es el soroll d’observació (que normalment segueix un model estocàstic de soroll blanc). Per aquesta raó, aquesta tesi proposa una aproximació diferent al problema. Es demostra que existeix una connexió entre el error del sensor i la dinàmica aplicada a aquest sensor. Aquesta dinàmica està caracteritzada per les mesures directes del sensors i les derivades enèsimes d’aquestes mesures. Per tant, gràcies a aquesta nova aproximació, un nou model d’error inercial es mostrat. Aquest nou model està composat per un biaix, un factor d’escala que afecta a la magnitud mesurada pel sensor i una sèrie de coeficients que multipliquen a les enèsimes derivades de les mesures del sensor. Aquesta tesi estableix dues maneres que aquest model es pugui utilitzar per a determinar aquests coeficients. Si existeix un sensor de referència, el model es pot implementar en un ajust de mínims quadrats per a estimar aquests coeficients. El resultat d’aquest ajust es un conjunt d’observacions “millorades” del sensor inercial que es poden processar en un navegador INS/GNSS convencional. En cas de no haver-hi sensor de referència, l’altra opció per a determinar els coeficients es a través d’un filtre de Kalman estès que incorpora aquests coeficients. En el cas d’aquesta tesi, aquests coeficients van ser implementats i comprovats en un navegador INS/GNSS amb arquitectura “loosely coupled”. Pel que coneix l’autor d’aquesta tesi, la utilització de les derivades de les observacions mai s’han investigat i es demostra que ajuden a millorar la precisió de la trajectòria subministrada pel navegador INS/GNSS.
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Dynamics of disordered systems

dl., 08/21/2017 - 02:33
Dynamics of disordered systems Vispa, Alessandro Disordered systems are ubiquitous in nature and their study is complicated and often leads to controversial results. In any case, the important role of such systems in science and technological applications should not be ignored. The characteristic properties of such systems seem to be driven by a fundamental feature, the degrees of freedom. Although many problems still remain matter of debate, the challenge posed in recent decades in the understanding of the impact of disorder in the physical behavior of materials is of considerable scientic interest. An exact description of a disordered phase is not possible since it is a many-body problem hard to model. However, for some materials it is possible, upon cooling, to preserve the disordered liquid-like structure having a state of high regularity. Therefore, for the so-called glass formers, it is possible to freeze some degrees of freedom obtaining a glass that presents the irregularity of a liquid with the high viscosity of a solid below the melting temperature Tm. The aim of the present PhD thesis is to present our understanding of disorder in related experimental approaches using three different pure compounds: two plastic crystals (1-Chloroadamantane and Freon113) and a liquid (Glycerol). To understand the behavior of these kinds of materials neutron scattering and dielectric spectroscopy have been used. These two powerful techniques allow us to investigate the dynamics of disordered phases on a picosecond time scale. Furthermore, given the complexity of these disordered phases, data analysis and model selection have been performed with a Bayesian approach that provides a solid statistical ground bases on probability distribution functions. Such methods have been applied to study of the above mentioned compounds dynamics in order to give an explanation of some open questions: the microscopic origin of the plastic-plastic transition in 1-chloroadamantane (C10H15Cl), the high fragility and the correlation between kinetic and thermodynamic fragility in freon113 (Cl2FC-CClF2) and the dynamics, accompanied by a robust model selection, of one of the most studied glass former compound, glycerol (C3H8O3). In addition, a brief overview of the theoretical background for neutron scattering and dielectric spectroscopy, as well as a description of the experimental setup and the consequent data treatment and analysis, are given to deliver a comprehensive and consistent view of the topic under consideration. The results, presented in this work of thesis, represent a small step in a deeper understanding of disordered phases dynamics, giving a base for further investigations.; Los sistemas desordenados son ubicuos en la naturaleza y su estudio es complicado y con frecuencia conduce a resultados controvertidos. En cualquier caso, el papel importante de este tipo de sistemas en aplicaciones científicas y tecnológicas no debe ser ignorada. Las propiedades características de tales sistemas parecen estar impulsadas por una característica fundamental, los grados de libertad. Aunque muchos problemas siguen siendo materia de debate, el desafío planteado en las últimas décadas en el entendimiento del impacto del desorden en el comportamiento físico de los materiales es de considerable interés científico. Una descripción exacta de una fase desordenada no es posible, ya que es un problema de muchos cuerpos difícil de modelar. Sin embargo, para algunos materiales, es posible, tras el enfriamiento, conservar la estructura desordenada del líquido con un estado de alta regularidad. Por lo tanto, para los denominados glass-formers, es posible congelar algunos grados de libertad obteniendo un vidrio que presenta la irregularidad de un líquido con la alta viscosidad de un sólido por debajo de la temperatura de fusión Tm. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuestra comprensión del desorden en los enfoques experimentales relacionados utilizando tres diferentes compuestos puros: dos cristales de plástico (1-Chloroadamantane y Freon113) y un líquido (Glycerol). Para entender el comportamiento de este tipo de materiales se han utilizado scattering de neutrones y espectroscopía dieléctrica. Estas dos técnicas nos permiten investigar la dinámica de las fases desordenadas en una escala de tiempo de picosegundos. Por otra parte, dada la complejidad de estas fases desordenadas, análisis de datos y la selección del modelo se han realizado con un enfoque bayesiano que proporciona una sólida base estadística basada sobre las funciones de distribución de probabilidad. Tales métodos se han aplicado al estudio de la dinámica de los compuestos antes mencionados con el fin de dar una explicación de algunas preguntas abiertas: el origen microscópico de la transición plástico-plástico en 1-chloroadamantane (C10H15Cl), la alta fragilidad y la correlación entre la fragilidad cinética y termodinámica en freon113 (Cl2FC-CClF2) y la dinámica, acompañada por una robusta selección de modelo, de uno de los compuestos más estudiados, glycerol (C3H8O3). Los resultados, presentados en este trabajo de tesis, representan un pequeño paso para una comprensión más profunda de la dinámica de las fases desordenadas, dando una base para futuras investigaciones.
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