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Disseny d'una aplicació (app), per a dispositius mòbils (smartphones), per la captura de dades cinemàtiques d'un vehicle

UPCommons - Mar, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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

UPCommons - Lun, 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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Region-based particle filter leveraged with a hierarchical co-clustering

UPCommons - Lun, 08/21/2017 - 02:33
Region-based particle filter leveraged with a hierarchical co-clustering Varas González, David In this thesis, we exploit the hierarchical information associated with images to tackle two fundamental problems of computer vision: video object segmentation and video segmentation. In the first part of the thesis, we present a video object segmentation approach that extends the well knonw particle filter algorithm to a region-based image representation. Image partition is considered part of the particle filter measurement, which enriches the available information and leads to a reformulation of the particle filter theory. We define particles as unions of regions in the current image partition and their propagation is computed through a single optimization process. During this propoagation, the prediction step is performed using a co-clustering between the previous image object partition and a partition of the current one, which allows us to tackle the evolution of non-rigid structures. The second part of the thesis is devoted to the exploration of a co-clustering technique for video segmentation. This technique, given a collection of images and their associated hierarchies, clusters nodes from these hierarchies to obtain a coherent multiresolution representation of the image collection. We formalize the co-clustering as a Quadratic Semi-Assignment Problem and solve it with a linear programming relaxation approach that makes effective use of information from hierarchies. Initially, we address the problem of generating an optimal, coherent partition per image and, afterwards, we extend this method to a multiresolution framework. Finally, we particularize this framework to an iterative multiresolution video segmentation algorithm in sequences with small variations. Finally, in the last part of the thesis we validate the presented techniques for object and video segmentation using the proposed algorithms as tools to tackle problems in a context for which they were not initially thought.; En aquesta tesi, utilitzem la informació jeràrquica associada a les imatges per explorar dos problemes fonamentals de la visió per ordinador: segmentació d'objectes en vídeos i segmentació de vídeos. A la primera part de la tesi, presentem un enfoc per a la segmentació d'objectes en vídeos que estén l'algoritme de filtres de partícules a una representació basada en regions de la imatge. La partició de la imatge es considera part de la mesura del filtre de partícules, enriquint la informació disponible i permetent una reformulació de la teoria dels filtres de partícules. Definim les partícules com a unions de regions de la partició i la propagació es calcula utilitzant únicament un procés d'optimització. En aquesta propagació, la etapa de predicció es realitza mitjançant un co-clustering entres la partició de l'objecte a l'instant de temps anterior i la partició actual, permetent el seguiment d'estructures no rígides. La segona part de la tesi està dedicada al desenvolupament d'una tècnica de co-clustering per segmentació de vídeo. Donada una col·lecció d'imatges i les seves jerarquies associades, aquesta tècnica agrupa nodes de les jerarquies per obtenir una representació de la col·lecció d'imatges coherent en diferents resolucions. Formalitzem el co-clustering com un problema d'optimització linial i el resolem utilitzant unes restriccions que permeten utilitzar de manera efectiva la informació de les jerarquies. Inicialment, afrontem el problema generant una partició òptima coherent per imatge per, posteriorment, estendre aquest mètode a un context de multi-resolució. Finalment, particularitzem aquesta tècnica com a algoritme iteratiu de segmentació de vídeo a diferents resolucions en seqüències amb poc moviment. Finalment, a la darrera part de la tesi, validem les tècniques presentades per segmentació d'objectes en vídeo i segmentació de vídeo utilitzant els algoritmes proposats com a eines per resoldre problemes pels quals no havien estat pensats inicialment.
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Enabling PAPI support for advanced performance analysis on ThunderX SoC

UPCommons - Lun, 08/07/2017 - 10:19
Enabling PAPI support for advanced performance analysis on ThunderX SoC Ruiz, Daniel; Calore, Enrico; Mantovani, Filippo The interest towards ARM based platforms as HPC solutions increased significantly during the last 5 years, and Cavium has been one of the first SoC provider integrating a 48 cores ARM SoC targeting the high end server market. In this paper we report about the development of the PAPI support for accessing the hardware counters of the Cavium CN8890 SoC. This contribution allows the use of advanced performance analysis tools using the underlying layer of PAPI on innovative machines such as the Cavium one. To show the possible benefits, and test our implementation, we provide as an example, the analysis of a Lattice Botzmann HPC production code, using the performance analysis tools developed within the Barcelona Supercomputing Center, Extrae and Paraver, making use of our PAPI support.
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Information Retrieval and Text Mining Technologies for Chemistry

UPCommons - Vie, 08/04/2017 - 13:20
Information Retrieval and Text Mining Technologies for Chemistry Krallinger, Martin; Rabal, Obdulia; Lourenço, Anália; Oyarzabal, Julen; Valencia, Alfonso Efficient access to chemical information contained in scientific literature, patents, technical reports, or the web is a pressing need shared by researchers and patent attorneys from different chemical disciplines. Retrieval of important chemical information in most cases starts with finding relevant documents for a particular chemical compound or family. Targeted retrieval of chemical documents is closely connected to the automatic recognition of chemical entities in the text, which commonly involves the extraction of the entire list of chemicals mentioned in a document, including any associated information. In this Review, we provide a comprehensive and in-depth description of fundamental concepts, technical implementations, and current technologies for meeting these information demands. A strong focus is placed on community challenges addressing systems performance, more particularly CHEMDNER and CHEMDNER patents tasks of BioCreative IV and V, respectively. Considering the growing interest in the construction of automatically annotated chemical knowledge bases that integrate chemical information and biological data, cheminformatics approaches for mapping the extracted chemical names into chemical structures and their subsequent annotation together with text mining applications for linking chemistry with biological information are also presented. Finally, future trends and current challenges are highlighted as a roadmap proposal for research in this emerging field.
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Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating

UPCommons - Vie, 08/04/2017 - 12:12
Efficient generation of energetic ions in multi-ion plasmas by radio-frequency heating Kazakov, Ye.O.; Ongena, J.; Wright, S.J.; Wukith, S.J.; Lerche, E.; Mantisen, Mervi; van Eester, D.; Craciunescu, T.; Kiptily, V.G.; Lin, Y.; Nocente, M.; Nabais, F.; Nave, M.F.F.; Baranov, Y.; Bielecki, J.; Bilato, R.; Bobkov, V.; Crombé, K.; Czarnecka, A.; Faustin, J.; Felton, R.; Fitzgerald, M.; Gallart, Daniel; Giacomelli, L.; Golfinopoulos, T.; Hubbard, A.; Jacquet, Ph.; Johnson, T.; Lennholm, M.; Loarer, T.; Porkolab, M.; Sharapov, S.; Valcarcel, D.; van Schoor, M.; Weisen, H.; JET Contributors; Alcator C-Mod Team We describe a new technique for the efficient generation of high-energy ions with electromagnetic ion cyclotron waves in multi-ion plasmas. The discussed ‘three-ion’ scenarios are especially suited for strong wave absorption by a very low number of resonant ions. To observe this effect, the plasma composition has to be properly adjusted, as prescribed by theory. We demonstrate the potential of the method on the world-largest plasma magnetic confinement device, JET (Joint European Torus, Culham, UK), and the high-magnetic-field tokamak Alcator C-Mod (Cambridge, USA). The obtained results demonstrate efficient acceleration of 3He ions to high energies in dedicated hydrogen–deuterium mixtures. Simultaneously, effective plasma heating is observed, as a result of the slowing-down of the fast 3He ions. The developed technique is not only limited to laboratory plasmas, but can also be applied to explain observations of energetic ions in space-plasma environments, in particular, 3He-rich solar flares.
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Optimizing Fully Anisotropic Elastic Propagation on 2nd Generation Intel Xeon Phi Processors

UPCommons - Vie, 08/04/2017 - 10:09
Optimizing Fully Anisotropic Elastic Propagation on 2nd Generation Intel Xeon Phi Processors Farres, Albert; Duran, A.; Rosas, Claudia; Hanzich, Mauricio; Yount, C.; Fernandez, S. This work shows several optimization strategies evaluated and applied to an elastic wave propagation engine, based on a Fully Staggered Grid, running on the latest Intel Xeon Phi processors, the second generation of the product (code-named Knights Landing). Our fully optimized code shows a speed-up of about 4x when compared with the same algorithm optimized for the previous generation processor.
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Light control of orbital domains: case of the prototypical manganite La0.5Sr1.5MnO4

UPCommons - Vie, 08/04/2017 - 09:42
Light control of orbital domains: case of the prototypical manganite La0.5Sr1.5MnO4 Miller, Timothy; Gensch, Michael; Wall, Simon Control of electronic and structural ordering in correlated materials on the ultrafast timescale with light is a new and emerging approach to disentangle the complex interplay of the charge, spin, orbital and structural degree of freedom. In this paper we present an overview of how orbital order and orbital domains can be controlled by near IR and THz radiation in the layered manganite La0.5Sr1.5MnO4. We show how near-IR pumping can efficiently and rapidly melt orbital ordering. However, the nanoscale domain structure recovers unchanged demonstrating the importance of structural defects for the orbital domain formation. On the contrary, we show that pulsed THz fields can be used to effectively orientate the domains. In this case the alignment depends on the in-plane electric field polarisation and is induced by an energy penalty that arises from THz field induced hopping of the localised charges.
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Effects of fullerene on lipid bilayers displaying different liquid ordering: a coarse-grained molecular dynamics study

UPCommons - Jue, 08/03/2017 - 13:04
Effects of fullerene on lipid bilayers displaying different liquid ordering: a coarse-grained molecular dynamics study Sastre, Judit; Mannelli, Ilaria; Reigada, Ramon Background The toxic effects and environmental impact of nanomaterials, and in particular of Fullerene particles, are matters of serious concern. It has been reported that fullerene molecules enter the cell membrane and occupy its hydrophobic region. Understanding the effects of Carbon-based nanoparticles on biological membranes is therefore of critical importance to determine their exposure risks. Methods We report on a systematic coarse-grained molecular dynamics study of the interaction of fullerene molecules with simple model cell membranes. We have analyzed bilayers consisting of lipid species with different degrees of unsaturation and a variety of cholesterol fractions. Addition of fullerene particles to phase-segregated ternary membranes is also investigated in the context of the lipid raft model for the organization of the cell membrane. Results Fullerene addition to lipid membranes modifies their structural properties like thickness, area and internal ordering of the lipid species, as well as dynamical aspects such as molecular diffusion and cholesterol flip-flop. Interestingly, we show that phase-segregating ternary lipid membranes accumulate fullerene molecules preferentially in the liquid-disordered domains promoting phase-segregation and domain alignment across the membrane. Conclusions Lipid membrane internal ordering determines the behavior and distribution of fullerene particle, and this, in turn, determines the influence of fullerene on the membrane. Lipid membranes are good solvents of fullerene molecules, and in particular those with low internal ordering. General Significance Preference of fullerene molecules to be dissolved in the more disordered hydrophobic regions of a lipid bilayer and the consequent alteration of its phase behavior may have important consequences on the activity of biological cell membranes and on the bioconcentration of fullerene in living organisms.
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Mejora del diagnóstico y de la hemodinámica en la revascularización carotídea : aplicación de la dinámica de fluidos computacional mediante el OpenFOAM® y otras herramientas de libre distribución

UPCommons - Lun, 07/31/2017 - 02:31
Mejora del diagnóstico y de la hemodinámica en la revascularización carotídea : aplicación de la dinámica de fluidos computacional mediante el OpenFOAM® y otras herramientas de libre distribución Arias Araluce, Fausto Arturo Stroke is a major cause of death and disability in Spain and in the Western world. It is often caused by an accumulation of atherosclerotic plaques on the walls of carotid arteries. Carotid revascularization may be the solution chosen by the specialist. This choice depends directly on the symptoms, the diagnosis and the potential benefits vs. costs of performing surgery. Hemodynamics plays a crucial role in all decision making. The conventional methods for analyzing hemodynamics are Doppler ultrasound, computed tomography angiography (CTA) and magnetic resonance angiography (MRA). These methods may be enriched with the numerical simulation of blood flow in the area of interest, using techniques of computational fluid dynamics (CFD). The result of the simulations can be used to improve diagnosis and to propose hemodynamic improvement during surgery or treatment. It can also provide conclusions on the progress of the patient. However, it is currently very difficult to perform these simulations and reach valid conclusions. This difficulty is due to the state of the technique and to the lack of scientific consensus in regard to clinical aspects, data gathering and processing, reproduction of geometries, construction of models, and execution of the simulations, among other aspects. Furthermore, obtaining results and drawing conclusions from them requires a high degree of specialization and the use of software that is often expensive. The present thesis uses numerical simulation to replicate the blood flow in the carotid arteries. It uses the results to guide the diagnosis and prognosis of patient progress. It develops a methodology for the creation of numeric models using data provided by CTA and Doppler ultrasound, both of which are used in routine clinical practice. From the images contained in the files with DICOM format resulting from the CTA, the geometries of carotid arteries of patients are reproduced. The data provided by the ultrasound velocities are used to obtain velocity curves in the inputs, outputs and areas of interest within the carotid artery. Models of carotid arteries are also built with CAD tools. OpenFOAM®; is used for model meshing, solving the equations that govern the fluid movement and obtaining the relevant hemodynamic variables such as carotid wall shear stress. The Womersley boundary condition for velocities, which is the most suitable one for simulating pulse flows in carotid arteries, is implemented in this software environment. In cases of moderate stenosis, a diagnosis by a specialist is added. A comparison between a pre- and postoperative situation was made in order to take it into account for any proposals of hemodynamic improvement. The pre-processing, processing and post-processing were performed almost entirely with open source tools such as vmtk, enGrid, ParaView and OpenFOAM®.; El ictus es una de las principales causas de muerte e invalidez en España y en el mundo occidental. Su origen se debe, en muchos casos, a la acumulación de placas de ateromas en las paredes de las arterias carótidas. La revascularización carotídea, puede ser la solución elegida por el especialista. Dicha elección depende directamente de la sintomatología del paciente, del diagnóstico efectuado y de los posibles riesgos vs. beneficios, vinculados a realizar la intervención. La hemodinámica juega un papel fundamental en la toma de cualquier decisión. Su análisis con métodos convencionales como la ecografía Doppler, la angiografía por tomografía computarizada (angio-TC) y por resonancia magnética (angio-RM), puede ser enriquecido con la simulación numérica del flujo sanguíneo en la zona de interés, utilizando técnicas de fluidodinámica computacional (CFD). El resultado de las simulaciones podría ser utilizado para realizar un mejor diagnóstico y proponer mejoras hemodinámicas, durante la intervención o tratamiento. También aportaría nuevas conclusiones sobre la posible evolución del paciente. No obstante, realizar estos estudios computacionales y llegar a conclusiones válidas, presenta un alto grado de dificultad en la actualidad. Esta dificultad viene dada por el estado de la técnica y la no existencia de un consenso científico en cuanto a aspectos clínicos, toma y procesamientos de los datos, reproducción de geometrías, construcción de los modelos y a la propia realización de las simulaciones, entre otros. Al mismo tiempo obtener resultados y llegar a conclusiones a partir de estos, requiere de un alto grado de especialización y el uso de software que, en general, tiene un elevado coste económico. En el presente trabajo de tesis se emplea la simulación numérica para reproducir la circulación del flujo sanguíneo en las arterias carótidas. Utiliza los resultados para influir tanto en el diagnóstico, como en el pronóstico de la evolución del paciente. Se elabora una metodología para la creación de modelos numéricos utilizando los datos que aporta el angio-TC y la ecografía Doppler, ambas técnicas empleadas en la clínica habitual. A partir de las imágenes contenidas en ficheros con formato DICOM, resultados del angio-TC, se reproducen las geometrías de carótidas de pacientes y con los datos proporcionados por la ecografía Doppler se obtienen curvas de velocidades en las entradas, salidas y zonas de interés dentro de la arteria carótida. Son construidos además modelos de carótidas con herramientas CAD. OpenFOAM® es utilizado para realizar el mallado de los modelos, la resolución de las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido y la obtención de variables hemodinámicas relevantes como la tensión de cizallamiento en la cara interna de la pared arterial carotídea. En el entorno de este software se implementa la condición de contorno Womersley para las velocidades, que es la más apropiada para simular de flujos pulsátiles en las carótidas. Para el caso de una estenosis moderada, se complementa un diagnóstico realizado por el especialista. Se ha efectuado una comparativa entre una situación pre y postperatoria con el objetivo de tenerla en cuenta ante posibles propuestas de mejoras hemodinámicas. El trabajo de pre-procesado, procesado y post-procesado ha sido realizado casi en su totalidad con herramientas de código abierto como vmtk, enGrid, ParaView y OpenFOAM® entre otras
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De la sostenibilidad hacia la resiliencia en las prácticas urbanísticas : La ciudad de Barcelona y el barrio de Vallcarca.

UPCommons - Lun, 07/31/2017 - 02:30
De la sostenibilidad hacia la resiliencia en las prácticas urbanísticas : La ciudad de Barcelona y el barrio de Vallcarca. de Balanzó, Rafael Con el objetivo de identificar factores y características que faciliten y promuevan la resiliencia social-ecológica en las ciudades, esta tesis doctoral sitúa, analiza, estructura, e interpreta las prácticas urbanísticas de las ciudades frente a los cambios, crisis, y colapsos internos y externos, utilizando como metodología de análisis la heurística de las dinámicas evolutivas de los Sistemas Social-Ecológicos (SSE). Esta metodología, basada en el ciclo adaptativo y en la panarquía de Holling y Gunderson (2002), permite aplicar una visión no lineal, con cambio imprevisibles, y multi-escalar ante la vulnerabilidad de los SSE frente a la visión lineal, institucionalizada y prospectiva de la disciplina del planeamiento urbanístico, condenado a resolver los problemas del pasado (Davoudi, 2012). El análisis se centra en la ciudad de Barcelona desde la aprobación del Plan Comarcal de 1953 hasta 2016, con un enfoque específico en el barrio de Vallcarca del Distrito de Gracia. Tras la introducción en el capítulo I, se presenta la base teórica del ciclo adaptativo y de los SSE adaptativos en el capítulo II, y en el capítulo III se describen y se comparan las distintas etapas y ciclos de las prácticas urbanísticas de Barcelona desde la óptica de la ciencia del urbanismo. En el capítulo IV, utilizando el ejemplo de Barcelona, se defiende que las dinámicas evolutivas de las ciudades son asimilables a las de la naturaleza al cumplir, las primeras, las características de los sistemas adaptativos: la no-linealidad, la imprevisibilidad, y la existencia de cambios y crisis que precisan de adaptación para ser sostenibles. Se muestra cómo el ciclo adaptativo permite analizar las dinámicas evolutivas de los SSE. Dicha herramienta también puede ser utilizada para analizar la evolución de las ciudades, al ser estas asimilables a las evoluciones de la naturaleza. Se procede a aplicar dicho método de análisis utilizando, en paralelo diversas metodologías de recogida de datos, incluyendo la observación participante y entrevistas semi-estructuradas, entre otras. En concreto, en el capítulo IV, se analiza, utilizando el instrumento del ciclo adaptativo, las prácticas urbanísticas a escala de la ciudad y se comparan con los ciclos de la ciencia del urbanismo. En el capítulo V se presenta el caso específico del barrio de Vallcarca y sus perspectivas, y en el capítulo VI se introduce el concepto de Panarquía relacionando las dinámicas de Barcelona con el barrio. En el capítulo VII se concluye con los resultados principales del estudio. En resumen, se verá en esta tesis doctoral, cómo frente al análisis lineal y prospectivo de la ciencia del urbanismo, el instrumento de los ciclos adaptativos y de la panarquía de los SSE de la ciencia de la ecología, aplicado a la gestión del sistema urbano, permite: - Subrayar que existe una lógica del ciclo (adaptativo) y de la propia recurrencia de los ciclos (con su estructura de fases) en el sistema urbano y sus prácticas urbanísticas, y - Diferenciar entre dos modelos complementarios y no maximizables simultáneamente: el prospectivo de crecimiento y estabilización (front-loop) y el retrospectivo de innovación y aprendizaje (back-loop), situando así, con mejor precisión, los fenómenos de innovación urbana y social, y estableciendo, con mayor detalle, los umbrales del cambio en el sistema urbano. A su vez, se aplica la teoría de los sistemas complejos adaptativos evaluando el fenómeno de la panarquía de los sistemas urbanos del punto vista espacial, social y medioambiental, lo que permite poner en valor los procesos de memoria (estabilización) y, sobretodo, de revuelta (innovación) que surgen desde abajo. Estas prácticas urbanísticas retrospectivas y recurrentes contienen atributos de resiliencia, como son la diversidad, la auto-organización, la adaptabilidad, y el aprendizaje; frente a los atributos de eficiencia, corporativismo e institucionalización de las prácticas prospectivas.; Cities (social-ecological systems) evolve as an adaptive self-organized complex system. As a consequence, sustainable development of urban systems are based on their degree of adaptability and transformability to systemic change. This capacity to adapt is called resilience. The adaptive cycle and the panarchy heuristic (Gunderson and Holling, 2002) is a representation of resilience dynamics by inner-scales and cross-scales networks, nested in a set of adaptive cycles experienced by permanent changes caused by hierarchical relationships at both time and space scale and through the “revolt” and “memory” connections in order to establish a sustainable development. The main goal of this doctoral thesis is to apply the Adaptive cycle and the Panarchy heuristic as an Urban Planning management tool and methodology to analyze, structure and interpret urban dynamics from 1953 to 2016. Two case studies are presented: The city of Barcelona and the neighborhood of VallcarcA
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Liquid crystals in woodpile photonic crystals : fabrication, numerical calculation and measurement

UPCommons - Lun, 07/31/2017 - 02:30
Liquid crystals in woodpile photonic crystals : fabrication, numerical calculation and measurement Ho, Chih-Hua Both experimental and numerical studies on Liquid Crystal (LC) infiltrated woodpile Photonic Crystal (PhC) are implemented in this thesis. The most well-known optical phenomenon of PhC is photonic bandgap (PBG). It is observed either in frequency or in spatial domain. The former means for a chromatic plane wave propagating though PhC that a range of frequencies do not transmit but reflect. The later means for a monochromatic focused beam passing though PhC that certain angular components do not transmit but deflect or reflect. The most well-investigated optical phenomenon of LC is birefringence. It is due to the strong dielectric anisotropy LC possesses. When the applied stimulations (e.g. electric/ optical field or external heater) are present, the orientation of LC molecules and different refractive indices (e.g. polarization or temperature dependent) are observed. The presence of LC inside PhC not only reduces index contrast (where angular BG appears) but also brings the tunability to such LC-PhC composite device. Therefore band-stop angular filter and sensitive refractometer for liquid material are potential applications controlled by multiple external stimulations. In this thesis, the related physical properties of PhCs and LCs are introduced beforehand. The fabrication of woodpile PhC is also demonstrated. Direct Laser Writing lithography technique is adopted to build microstructures with high resolution up to hundreds of nanometers. A tunable band-stop filter controlled by polarization and temperature is investigated in linear regime. To bridge our investigation to nonlinear regime, dye-doped LC is used to create graded indices inside LC medium corresponding to intensity. Numerical calculations are conducted to the experimental observations. To sum up, LC-PhC composite device possesses very promising features as demonstrated which could be applied into tunable elements in integrated optical systems and its abundant nonlinear properties remains to be explored carefully.; Ambos estudios experimentales y numéricos en cristal líquido (LC) pila de leña infiltrado de cristal fotónico (PhC) se implementan en esta tesis.El fenómeno óptico más conocido de la PhC es la banda prohibida fotónica (PBG). Se observa ya sea en la frecuencia o en el dominio espacial. Los antiguos medios para una onda que se propaga plano cromática aunque PhC que un rango de frecuencias no transmiten sino que reflejan. El medio más tarde para un paso haz enfocado monocromática aunque PhC que ciertos componentes angulares no transmiten, pero desvían o reflejan.El fenómeno óptico más bien investigado de LC es la birrefringencia. Es debido a la anisotropía dieléctrica fuerte LC posee. Cuando los estímulos aplicados (por ejemplo campo óptico / eléctrico o calentador externo) están presentes, se observa la orientación de las moléculas de cristal líquido y los diferentes índices de refracción (por ejemplo, polarización o dependientes de la temperatura). La presencia de LC en el interior PhC no sólo reduce el contraste de índice (donde aparece angular BG), pero también trae consigo la capacidad de ajuste a dicho dispositivo compuesto LC-PhC. Por lo tanto banda eliminada del filtro angular y refractómetro sensible para material líquido son posibles aplicaciones controladas por múltiples estímulos externos. En esta tesis, las propiedades físicas relacionadas de PhC y las LC se introducen de antemano. La fabricación de pila de leña PhC se demuestra. Escritura técnica de litografía láser directa se adopta para construir microestructuras con alta resolución de hasta cientos de nanómetros. Un filtro elimina banda sintonizable controlado por la polarización y la temperatura se investiga en régimen lineal. Para salvar nuestra investigación con el régimen no lineal, LC tinte dopado se utiliza para crear índices graduadas dentro de medio LC correspondiente a la intensidad. cálculos numéricos se llevan a cabo con las observaciones experimentales.Para resumir, dispositivo compuesto LC en la PhC posee características muy prometedoras como se ha demostrado que se pueden aplicar en elementos sintonizables en sistemas ópticos integrados y sus propiedades no lineales abundantes que queda por explorar con cuidado.
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Desarrollo de herramientas constructivistas para la publicación y personalización de contenidos de cursos en línea

UPCommons - Lun, 07/31/2017 - 02:30
Desarrollo de herramientas constructivistas para la publicación y personalización de contenidos de cursos en línea García Fernández, Javier, 1973 Since early times in internet, there have been training experiences with different success. Sometimes because they were complicated to use, others for the state of technology, or because the public has not supported it. Currently there are online courses, virtual campus (LMS), wikis, video, MOOC or educational applications that use personal devices (m-learning). Online courses have not evolved. The role of the student is passive about their learning. Most courses are individual and static study tools that do not encourage collaboration between individuals and cannot adapt to the characteristics of the student, nor help them build their knowledge. Time ago, researchers studied the creation of adaptive learning systems but it was not viable. This work wants to innovate in online courses. It has built a set of tools that give students an active role in building their learning and let the trainer create more dynamic and attractive courses. It has worked in a publishing platform that enables trainers with basic knowledge of HTML implement online courses. The system is responsible for adding navigation panels, apply style templates and add the code to create interactive elements, scientific formulas, etc. Thinking in the students, have prepared tools to create a layer of customization of course content (underlined, glossaries, summaries, notes and a calculator) and save changes in the cloud. This toolkit transforms the student traditional tools into web applications. The entire project works with standard Internet technologies that work on any device with a web browser.; Desde la aparición de internet, se han sucedido las experiencias para utilizar este entorno en la formación; con éxito desigual. Unas veces porque eran complicadas de utilizar, otras por el estado de la tecnología o porque no recibieron el soporte del público. Actualmente existen cursos en línea, campus virtuales (LMS), wikis, vídeo, MOOC o aplicaciones educativas que aprovechan los dispositivos personales (m-learning). Los cursos en línea están estancados. El papel del alumno es pasivo respecto a su aprendizaje. En su mayoría, son herramientas de estudio individual, estáticas, que no fomentan la colaboración entre individuos, ni la construcción de conocimiento y no se adaptan a las características del alumno. Hace años se estudió la creación de sistemas de aprendizaje adaptables pero no resultó viable. Este trabajo busca innovar en los cursos en línea. Se ha construido un conjunto de herramientas que dan al alumno un papel activo en la construcción de su aprendizaje y al formador le permiten crear cursos más dinámicos y atractivos. Se ha trabajado en una plataforma de publicación que permita a formadores con conocimientos básicos de HTML implementar cursos en línea. El sistema se encarga de añadir los paneles de navegación, aplicar plantillas de estilos y añadir el código para generar elementos interactivos, fórmulas científicas, etc. Pensando en el estudiante, se han creado unas herramientas con las que puede crear una capa de personalización de los contenidos del curso (subrayado, glosarios, resúmenes, notas y calculadora) y guardarlos en la nube. Esta caja de herramientas es el resultado de trasladar los recursos tradicionales de estudio a las TIC. Todo ello empleando tecnologías estándar de internet que funcionan sobre cualquier dispositivo que disponga de un navegador web.
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Integration of electrically driven membrane separation processes for water treatment and resources recovery

UPCommons - Lun, 07/31/2017 - 02:30
Integration of electrically driven membrane separation processes for water treatment and resources recovery Reig i Amat, Mònica Nowadays, due to the growing fresh water demand, several processes are used to purify seawater by means of desalination or industrial brackish water by different treatment processes. The main limitation of these techniques is the production of rejected brines. For this reason, new management techniques for brines valorization are being studied to achieve the maximum water recovery, avoid liquid streams disposal and recover the valuable compounds from the concentrated streams. In this thesis, four membrane technologies were used to promote resources recovery, including water, depending on the valorization way of the concentrated stream: electrodialysis (ED) was used for its concentration, nanofiltration (NF) for its purification, selectrodialysis (SED) for its ions separation and ED with bipolar membranes (EDBM) for acid and base production from the brines. The integration of these membrane techniques provided brines reuse and promoted potential circular economy based on solutions where a waste is transformed into a resource. Seawater reverse osmosis (SWRO) brine was treated by ED in order to concentrate NaCl for the chlor-alkali industry. An ED pilot plant was used to concentrate the brine up to 150-250 g NaCl/L, depending on temperature and current density conditions. Then, a mathematical algorithm was developed to predict the concentration evolution during the ED process. The model was able to describe the NaCl concentration evolution and the energy consumption taking into account temperature changes and longtime operation. Moreover, monovalent selective cationic (MVC) membranes were synthetized using several mixtures of polyvinylidene fluoride (PVDF) and sulfonated PVDF (S-PVDF). Then, surface polymerization of polyaniline (PANi) doped with p-toluene sulfonic acid (pTSA) or L-valine was applied in order to improve their cationic monovalent selectivity. Results indicated that sodium selectivity increased when using doping agents (higher sodium selectivity when using valine than pTSA) or increasing the voltage applied. Besides, NF was used as a purification treatment for the SWRO brine. Different membrane configurations (flat sheet (FS) and spiral wound (SW)) were tested to study ions rejection behavior. The solution-diffusion-electromigration-film model (SDEFM) was successfully applied in order to fit the experimental rejections and calculate the membrane permeances to each ion. Ions rejection and permeances calculated for both membrane configurations were similar. These results indicated that lab-scale results could be used for the NF scale up. Also, the dominant salt effect on the trace ion rejection was determined by means of a FS membrane indicating that a higher initial dominant salt concentration implied a lower rejection for the dominant salt itself and also for the trace ions. Furthermore, two ED-based technologies were used. SED was utilized to separate chloride from sulfate ions of an industrial wastewater rich in sodium chloride and sodium sulfate, achieving separation factors around 80-90 %. EDBM was employed to produce sodium hydroxide/hydrochloric acid from sodium chloride and sodium hydroxide/sulfuric acid from sodium sulfate.Finally, ED, NF and SED were used as pre-treatments for EDBM. With the NF and EDBM system it was possible to purify the SWRO brine working with NF membranes at 20 bar. However, the permeate stream was treated by chemical precipitation in order to diminish the calcium and magnesium concentration before being introduced in the EDBM system. Maximum NaOH and HCl concentrations of 1 M were obtained. ED was used prior to the EDBM in order to concentrate the SWRO brine up to 200 gNaCl/L and be able to produce 2 M acid and base. SED was used to separate chloride from sulfate ions of an industrial wastewater. Both streams, sodium chloride-rich and sodium sulfate-rich were introduced in the EDBM stack and pure sodium hydroxide, hydrochloric acid (87 %) and sulfuric acid (93 %) were produced.; A causa de la creixent demanda d'aigua, s'utilitzen varis processos de membrana per purificar aigua de mar mitjançant dessalinització o bé per tractar salmorres industrials. La principal limitació d'aquestes tècniques és la producció de salmorres de rebuig. Per això, s'estudien noves tecnologies per valoritzar salmorres i aconseguir la màxima recuperació d'aigua i/o composts valuosos dels corrents concentrats. En la tesi, es van utilitzar quatre tecnologies de membrana per promoure la recuperació de recursos, incloent aigua, depenent de la forma de valorització del corrent concentrat: l¿electrodiàlisi (ED) es va utilitzar per a la seva concentració, la nanofiltració (NF) per a la seva purificació, la selectrodiàlisi (SED) per a la separació dels seus ions i l'ED amb membranes bipolars (EDBM) per a la producció d'àcid i base a partir de les salmorres. La integració d'aquestes tècniques de membrana promou la reutilització de salmorres i una potencial economia circular on un residu es transforma en recurs. La salmorra d'osmosi inversa d'aigua de mar (SWRO) va ser tractada mitjançant ED per concentrar NaCl per a la indústria clor-àlcali. Es va utilitzar una planta pilot d'ED per concentrar la salmorra fins a 150-250 gNaCl/L, depenent de la temperatura i la densitat de corrent. Es va desenvolupar un algoritme matemàtic per predir l'evolució de concentració durant l'ED. El model va ser capaç de descriure l'evolució de la concentració de NaCl i el consum energètic tenint en compte els canvis de temperatura i la llarga durada dels experiments. D'altra banda, es van sintetitzar membranes selectives a cations monovalents (MVC) usant mescles de fluorur de polivinilidè (PVDF) i PVDF sulfonat (S-PVDF). A continuació, es va aplicar una polimerització de superfície amb polianilina (PANi) dopada amb àcid p-toluè sulfònic (pTSA) o L-valina per millorar la seva selectivitat a MVC. Els resultats van indicar que la selectivitat de sodi augmentava quan s'utilitzaven agents de dopatge (major selectivitat de sodi a l`utilitzar valina enfront de pTSA) o s'augmentava el voltatge aplicat. La NF va ser usada per purificar la salmorra SWRO. Es van provar dues configuracions de membrana (plana (FS) i en espiral (SW)) per estudiar el comportament del rebuig dels ions. El model de pel·lícula de solució-difusió-electromigració (SDEFM) es va ajustar amb èxit als rebutjos experimentals i va permetre calcular les permeances de la membrana a cada ió. El rebuig dels ions i les permeances calculades per a les dues configuracions de membrana van ser similars. Per tant, els resultats a escala de laboratori es podrien utilitzar per a l'escalat de NF. A més, l'efecte de la sal dominant en el rebuig d'ions traça va ser determinada per mitjà d'una membrana FS indicant que una major concentració inicial de sal dominant implicava un menor rebuig de sal dominant i d'ions traça. També es van emprar dues tecnologies basades en l'ED. La SED es va utilitzar per separar els clorurs dels sulfats d'una aigua residual industrial, aconseguint uns factors de separació del 80-90%. L'EDBM es va usar per produir hidròxid de sodi/àcid clorhídric a partir de clorur de sodi i hidròxid de sodi/àcid sulfúric a partir de sulfat de sodi. Finalment, l'ED, la NF i la SED es van emprar com a pretractaments de l'EDBM. Amb el sistema NF-EDBM es va purificar la salmorra SWRO treballant amb membranes de NF a 20 bar. No obstant això, el permeat va ser tractat per precipitació química per disminuir la concentració de calci i magnesi abans de ser introduït a l'EDBM. Es van obtenir concentracions màximes d'NaOH i HCl de 1 M. L'ED es va usar abans de l'EDBM per concentrar la salmorra SWRO fins a 200 gNaCl/L i ser capaç de produir àcid i base 2 M. La SED es va utilitzar per separar clorurs de sulfats d'una aigua residual industrial. Ambdós corrents, el ric en clorur de sodi i el ric en sulfat de sodi, es van introduir a l'EDBM per produir hidròxid de sodi pur, àcid clorhídric (87%) i àcid sulfúric (93%).
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