Effect of type of dietary carbohydrates on digestion, intestinal barrier and growth performance in 25-d weaned rabbits

Los objetivos globales de esta tesis han sido estudiar el efecto que los carbohidratos de la dieta ejercen sobre los rendimientos productivos, la barrera intestinal, y la digestión de animales destetados a 25 días de edad. Además se ha estudiado cuál es el mejor periodo para determinar la digestibilidad fecal tras el destete a esta edad. En el primer experimento se estudió el efecto de la fibra neutro detergente soluble (FNDS) sobre la barrera intestinal, digestión, microbiota intestinal y rendimientos productivos de gazapos en gazapos en la fase post-destete. Se diseñaron tres piensos isonutritivos en los que la única fuente de variación fueron los niveles de fibra soluble. A partir de una dieta control (AH) con 103 g/kg de materia seca de FNDS y alfalfa como fuente principal de fibra, se sustituyó la mitad de esta alfalfa por una mezcla de pulpa de remolacha y pulpa de manzana (75:25) en el pienso B-AP y por una mezcla de cascarilla y concentrado de proteína de soja (88:12) en el pienso OH, obteniéndose 131 y 79 g/kg de FNDS sobre materia seca, respectivamente. Los conejos se destetaron a 25 días y fueron alimentados con los piensos experimentales hasta los 35 días de edad, momento en el que se sacrificaron para la determinación de la digestibilidad ileal aparente (DIA) de la materia seca (MS), proteína bruta (PB) y almidón, la morfología de la mucosa, y actividad enzimática en el yeyuno, el tejido linfoide asociado a la mucosa, así como la microbiota intestinal. Para la determinación de la morfología de la mucosa se utilizaron adicionalmente 19 animales lactantes de 35 días de edad. Para el estudio de la tasa de mortalidad, se utilizaron 118 animales más por tratamiento que recibieron los piensos experimentales durante las dos semanas post-destete y posteriormente un pienso comercial hasta los 60 días de edad. Los animales recibieron durante todo el experimento medicación en el agua de bebida (100 ppm de apramicina sulfato y 120 ppm de tilosina tartrato). El nivel de fibra soluble mejoró los parámetros que se utilizaron para la caracterización del estado de la barrera intestinal. Los conejos alimentados con el mayor nivel de FNDS en el pienso presentaron una mayor longitud de los villi (P=0.001), un mayor ratio longitud villi/profundidad de las criptas (8.14; P=0.001), una mayor actividad disacaridásica (8671 μmol de glucosa/g de proteína; P=0.019), así como una mayor digestibilidad ileal (96.8%; P=0.002), observándose una reducción en el flujo ileal de almidón a medida que se incrementó el nivel de fibra soluble en el pienso (1,2 vs 0,5 g/d; P=0.001). Los animales lactantes a 35 días de edad presentaron un ratio longitud de villi/profundidad de las criptas menor que el observado en aquéllos alimentados con el pienso B-AP (6.70), pero superior al de los piensos AH y OH. Niveles inferiores de NDFS tendieron (P=0.074) a incrementar la respuesta inmune de tipo celular (linfocitos CD8+). El pienso también afectó a la producción de IL2 (CD25+; P=0.029; CD5+CD25+; P=0.057), pero sin llegar a establecerse una clara relación con el nivel de fibra soluble. La diversidad de la microbiota intestinal no se vio afectada por el pienso (P ≥ 0.38). Los animales alimentados con las piensos B-AP y AH presentaron una reducción en la frecuencia de detección de Clostridium perfringens tanto en íleon (P=0.062) como en ciego (4.3 vs. 17.6%, P =0.047), comparado con el pienso OH. Además la tasa de mortalidad (118 gazapos/pienso) disminuyó de 14.4% en el pienso OH a 5.1% en el pienso B-AP. Entre los 32 y los 35 días de edad se determinó la digestibilidad fecal aparente (14/pienso) de la materia seca (MS), energía bruta (EB), proteína bruta (PB), fibra neutro detergente (FND), fibra ácido detergente (FAD) y almidón. Este grupo, junto con otros nueve animales por tratamiento se utilizaron para determinar el peso del estómago y el ciego, la concentración cecal de ácidos grasos volátiles (AGV) y amoniaco (NH3), así como las tasas de similitud de la microbiota intestinal. Además se estudiaron los rendimientos productivos (35 animales/tratamiento) de los gazapos durante todo el período de cebo, consumiendo los piensos experimentales desde el destete hasta los 35 días y posteriormente un pienso comercial hasta los 60 días de edad. Niveles crecientes de FNDS mejoraron la digestibilidad fecal de la materia seca (MS) y energía (P<0.001). La inclusión FNDS aumentó de manera lineal el peso del contenido cecal (P=0.001) y el peso del aparato digestivo completo (P=0.008), y en los días previos al sacrificio disminuyó de manera lineal el consumo medio diario (P=0.040). Se observó además, una disminución lineal (P≤0.041) del pH del estómago. No se encontró relación entre el pH, la concentración y proporciones molares de AGV y el nivel de FNDS. El pienso pareció tener un efecto, incluso superior al de la madre, sobre la tasa de similitud de la microbiota, y los efectos fueron mayores a nivel cecal que ileal. La eficacia alimenticia aumentó de manera lineal en un 12% entre piensos extremos tras el destete (25- 39d) y en un 3% en el período global de cebo con niveles mayores de NDFS. El consumo medio diario durante la fase post-destete y durante todo el período de cebo, tendió a aumen tar (P≤0.079) con niveles mayores de FNDS, sin embargo no se apreció efecto sobre la ganancia media diaria (P≥0.15). En conclusión, el incremento del nivel de fibra soluble en el pienso parece resultar beneficioso para la salud del animal ya que mejora la integridad de la mucosa, y reduce la frecuencia de detección de potenciales patógenos como C. perfringens y Campylobacter spp. Conforme a estos resultados, debería tenerse en cuenta el contenido en fibra soluble en la formulación de piensos de conejos en la fase post-destete. El objetivo del segundo experimento fue determinar el efecto de la fuente de almidón sobre la digestión, la microbiota intestinal y los rendimientos productivos en conejos destetados con 25 días de edad. Se formularon tres piensos isonutritivos en los que se modificaron las principales fuentes de almidón: trigo crudo, trigo cocido y una combinación de trigo y arroz cocido. Dos grupos de 99 y 193 animales se destetaron con 25 días de edad. El primero de ellos se utilizó para la determinación de los parámetros productivos conforme al mismo protocolo seguido en el experimento anterior. El segundo de los grupos se utilizó para la determinación de la digestibilidad fecal de 32 a 35 d, la digestibilidad ileal aparente (DIA) a 35 d, la morfología de la mucosa intestinal, los parámetros de fermentación cecal; así como, la caracterización de la microbiota intestinal. Se utilizaron además dos grupos adicionales de animales 384 (medicados) y 177 (no medicados) para estudiar el efecto de la suplementación con antibióticos en el agua de bebida sobre la mortalidad. El procesado térmico del trigo mejoró ligeramente la digestibilidad ileal del almidón (P=0.020) pero no modificó el flujo final de almidón que alcanzó el ciego, observándose una mayor frecuencia de detección de Campylobacter spp. y Ruminococcus spp. en ciego (P≤0.023), pero sin cambios a nivel ileal. El procesado térmico del trigo no afectó tampoco a los parámetros productivos, la mortalidad, la digestibilidad ileal y fecal o la morfología de la mucosa. La sustitución parcial del trigo cocido por arroz cocido, penalizó la digestibilidad ileal del almidón (P=0.020) e incrementó el flujo ileal de este nutriente al ciego (P=0.007). Sin embargo no afectó a la mortalidad, pese a que se detectaron cambios en la microbiota tanto a nivel ileal como cecal, disminuyendo la frecuencia de detección de Campylobacter spp. (en íleon y ciego), Helicobacter spp. (en íleon) y Ruminococcus spp (en ciego) e incrementando Bacteroides spp. (en ciego) (P≤0.046). El empleo de arroz cocido en las piensos post-destete no tuvieron efectos sobre los parámetros productivos, la mortalidad, la digestibilidad ileal y fecal a excepción del almidón, o la morfología de la mucosa. La suplementación con antibiótico redujo la fre cuencia de detección de la mayoría de las bacterias estudiadas (P≤0.048), sobre todo para Campylobacter spp., Clostridium perfringens y Propionibacterium spp. (P≤0.048), observándose un efecto mayor a nivel ileal que cecal, lo que se asoció a la bajada significativa (P<0.001) de la mortalidad. En conclusión, los resultados de este experimento indican que la fuente de almidón afecta a la microbiota intestinal pero no influiye sobre la salud del animal. En relación al procesado, el uso de trigo cocido junto con arroz cocido no mejora los resultados obtenidos con trigo duro, si bienserían necesarios más experimentos que confirmaran este punto. El último de los experimentos se centró en un aspecto metodológico. Dado que, los conejos destetados presentan un patrón digestivo diferente al de un animal adulto resultado de su inmadurez digestiva, el objetivo buscado era tratar de determinar el mejor procedimiento para la determinación de la digestibilidad fecal en los gazapos en la fase post-destete. Para tal fin se utilizaron 15 animales/tratamiento de tres camadas diferentes que se destetaron con 25 días, suministrándoles un pienso comercial de crecimiento-cebo. Se registró el consumo medio diario y la excreción diaria de heces desde el día 25 hasta el día 40 de edad para la determinación de la digestibilidad de la MS. La camada afectó al consumo medio diario y la excreción de heces (P=0.013 y 0.014, respectivamente), observándose una tendencia (P=0.061) en la digestibilidad. La edad afectó (P<0.001) a todos estos factores, incrementándose de manera más evidente la excreción que la ingestión de materia seca en la primera semana de vida, para aumentar de forma paralela a partir de la segunda. La correlación entre el consumo medio diario fue mayor con la excreción de heces del mismo día que con la del día siguiente, por lo que se utilizó el primero para la determinación de la digestibilidad de la MS (MSd). La MSd disminuyó de manera lineal hasta los 32 días de edad (2.17±0.25 unidades porcentuales por día), mientras que permaneció constante desde los 32 a los 40 días (69.4±0.47%). Por otro lado, la desviación estándar de la MSd se redujo cuando se incrementó el período de recogida de 2 a 6 días en un 54%. Conforme a los resultados obtenidos, se puede concluir que no es aconsejable comenzar las pruebas de digestibilidad antes de los 32 días de edad y que el número de animales necesario para detectar diferencias significativas entre tratamientos dependerá del período de recogida de heces. ABSTRACT The global aim of this thesis has been to study the effect of dietary carbohydrates on growth, performance, digestion and intestinal barrier in 25-d weaned rabbits. In addition there has also been studied which is the best period to determine the fecal digestibility after weaning. The first experiment focused on the effect of Neutral Detergent Soluble Fibre (NDSF) on gut barrier function, digestion, intestinal microbiota and growth performance n rabbits in the post-weaning period. Three isonutritive diets which only varied in the levels of soluble fiber were formulated such as it described as follows: a control diet (AH) containing 103 g of neutral detergent soluble fiber, including alfalfa as main source of fiber, was replaced by a mixture of beet and apple pulp (75-25) in the B-AP diet and, by a mix of oat hulls and soybean protein concentrate (88:12) in the OH diet, resulting 131 and 79 g of NDFS/kg of dry matter, respectively. Rabbits, weaned at 25 days of age, were fed the experimental diets up to 35 days of age, moment in which they were slaughtered for apparent ileal digestibility (AID) of dry matter (DM), crude protein (CP) and starch, mucosa morphology, sucrose activity, characterization of lamina propria lymphocytes and intestinal microbiota. To assess mucosal morphology, 19 suckling 35-d-old rabbits were also used. For mortality study, besides these animals, 118 additional rabbits per treatment were fed the experimental diets for two weeks period and thereafter received a commercial diet until 60 days of age. Rabbits were water medicated during the whole experimental period (100 ppm de apramicine sulphate and 120 ppm of tylosine tartrate). Level of soluble fiber improved all the parameters used for the characterization of the intestinal barrier condition. Villous height of the jejunal mucosa increased with dietary soluble fiber (P=0.001). Villous height of jejunal mucosa increased with dietary soluble fiber (P = 0.001). Rabbits fed the highest level of soluble fiber (BA-P diet) showed the highest villous height/crypth depth ratio (8.14; P = 0.001), sucrase specific activity (8671 μmol glucose/ g protein; P = 0.019), and the greatest ileal starch digestibility (96.8%; P = 0.002). The opposite effects were observed in rabbits fed decreased levels of soluble fiber (AH and OH diets; 4.70, 5,848 μmol of glucose/g of protein, as average, respectively). The lowest ileal starch digestibility was detected for animal fed OH diet (93.2%). Suckling rabbits of the same age showed a lower villous height/crypt depth ratio (6.70) compared with the B-AP diet group, but this ration was higher that the AH or OH diet groups. Lower levels of soluble fiber tended (P = 0.074) to increase the cellular immune response (CD8+ lymphocytes). Diet affected IL-2 production (CD25+, P = 0.029; CD5+CD25+, P = 0.057), with no clear relationship between soluble fiber and IL-2. The intestinal microbiota biodiversity was not affected by diets (P ≥ 0.38). Animals fed B-AP and AH diets had a reduced cecal frequency of detection compatible with Campylobacter spp. (20.3 vs. 37.8, P = 0.074), and Clostridium perfringens (4.3 vs. 17.6%, P = 0.047), compared with the OH diet group. Moreover, the mortality rates decreased from 14.4 (OH diet) to 5.1% (B-AP diet) with the increased presence of soluble fiber in the diet. Between 32 and 35 days of age, faecal apparent digestibility of dry matter (DM), gross energy (GE), crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF) and starch was determined (14/diet). This group, plus another nine rabbits/diet were used to determine weight of stomach and caecum and their contents, cecal fermentation traits and similarity rate (SR) of intestinal microbiota. Besides, growth performance parameters (35 rabbits/diet) were studied during the whole fattening period, in animals consuming the experimental feed after the weaning up to 35 days of age and later on a commercial diet up animals reached 60 days of age. Increasing levels of Neutral Detergent Soluble Fiber improved faecal dry matter and energy digestibility (P<0.001). NDSF inclusion improved linearly weight of the caecal content (P=0.001) and the total gastrointestinal tract (P=0.008), and in the previous days to slaughter a linear decrease of daily feed intake in diet with highest level of soluble fiber was also observed. Stomach pH decreased linearly with increasing levels of NDFS (P≤0.041). No relation between NDSF level on pH, concentration and molar proportion of VFA was found. Treatments appeared to influence the similarity rate of microbiota, even higher to mother effect. These effects were higher in ileum than in caecum. A linear positive effect of feed efficiency was observed, which increased around 12% in the two weeks post-weaning (25-39d) and 3% in the whole fattening period between extreme diets with highest levels of soluble fiber. Average daily feed intake during the two weeks after weaning and in the whole fattening period, tended (P≤0.079) to increase with highest levels of NDSF; although there were no effect on daily weight gain (≥0.15). In conclusion, an increase of soluble fiber in the feed seems to be beneficial for animal health, due to improve mucose integrity and reduce detection frequency of those poten tial pathogens like C. perfringens and Campylobacter spp. According to these results, level of soluble fiber should be taking care in feed rabbit formulation in the post-weaning period. The objective of the second experiment was to determine the effect of source of starch on digestion, intestinal microbiota and growth performance in twenty-five-day old weaned rabbits. To accomplish with this aim three iso-nutritive diets were formulated with different source of starch: raw wheat, boiled wheat and a combination of boiled wheat and boiled rice. Two groups of 99 and 193 rabbits were weaned at 25 days of age. The first group was used for growth performance determination following the same protocol than in previous experiment. The second group was used to determine faecal digestibility from 32 to 35 d, apparent ileal digestibility (AID) at 35 d, jejunal mucosa morphology, caecal fermentation traits and characterization of intestinal microbiota. For mortality, two additional groups of 384 (medicated) and 177 (not medicated) were used in order to study the effect of antibiotic water supply supplementation. Heat processing of starch slightly improved ileal digestibility of starch (P=0.020) but did not modify the flow of starch to the caecum. An increase in frequency of detection of Campylobacter spp. y Ruminococcus spp. was observed in the caecum (P≤0.023), with no changes at ileal level. Heat processing of wheat did not modify growth performance, mortality, ileal or faecal digestibility and mucosa morphology. Partial substitution of boiled wheat for boiled rice in the diet impaired ileal starch digestibility (P=0.020) and increased the ileal flow of this nutrient to the caecum (P=0.007). However, it did not affect mortality rate, although changes in the ileal and caecal intestinal microbiota were detected, decreasing the frequency of detection of Campylobacter spp. (both ileum and caecum), Helicobacter spp. (at ileum) and Ruminococcus spp (at caecum) and increasing the Bacteroides spp. (at caecum) (P≤0.046). The effect of boiled rice supplementation did not alter growth performance, mortality, ileal or faecal digestibility of other nutrients than starch, and mucosa morphology. Medication of rabbits reduced the ileal frequency of detection of most bacteria studied (P≤0.048), especially for Campylobacter spp., Clostridium perfringens y Propionibacterium spp. (P≤0.048), resulting the effect higher at ileal than caecal level and relating it with a strong reduction of mortality rate (P<0.001). In conclusion, the results of this experiment make think that the source of starch affects the intestinal microbiota but they do not seem to influence animal health. In relation to the effect of heat processed the use of cooked wheat or cooked rice it does not seem to im prove the results obtained with hard wheat, but there would be necessary more experiments that were confirming this point. The last experiment focused on a methodological aspect. Considering that, weaned rabbits have a different digestive pattern than older animals due to their digestive immaturity; the fixed objective was to determine the best procedure for faecal digestibility determination in young rabbits in the post-weaning period. Fifteen rabbits from 5 different litters were weaned at 25 days of age and fed with a commercial feed. Feed intake and faeces excretion were recorded daily from 25 to 40 days of age for dry matter digestibility (DMd) determination. Litter affected daily DM intake and excretion (P=0.013 y 0.014, respectively) and tended to affect DMd (P=0.061). Age affected all these factors (P<0.001), but ingestion increased slowly than dry matter excretion during the first week buth they evolved similarly in the second week. The correlation between daily feed intakes was higher with the faeces excretion of the day than with faeces excretion of the next day, and the first values were used to determine daily DMd. The DMd decreased linearly from weaning to 32 d of age (2.17±0.25 percentage units per day), whereas from 32 to 40 d remained constant (69.4±0.47%). On the other hand, average standard deviation of DMd decreased by 54% when the length of collection period increased from 2 to 6d. Consequently to the obtained results, it could be concluded that it would not be advisable to start digestibility trials before the 32 days of age and that the number of animals required to detect a significant difference among means would depend on the collection period.

Mia Magazzino of Italian Art, Garrison (New York), 2011

MIA MAGAZZINO OF ITALIAN ART, GARRISON (NEW YORK), 2011 [Proyecto]

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

Modelo de computación conexionista inspirado en las redes de procesadores evolutivos y su aprendizaje

La informática teórica es una disciplina básica ya que la mayoría de los avances en informática se sustentan en un sólido resultado de esa materia. En los últimos a~nos debido tanto al incremento de la potencia de los ordenadores, como a la cercanía del límite físico en la miniaturización de los componentes electrónicos, resurge el interés por modelos formales de computación alternativos a la arquitectura clásica de von Neumann. Muchos de estos modelos se inspiran en la forma en la que la naturaleza resuelve eficientemente problemas muy complejos. La mayoría son computacionalmente completos e intrínsecamente paralelos. Por este motivo se les está llegando a considerar como nuevos paradigmas de computación (computación natural). Se dispone, por tanto, de un abanico de arquitecturas abstractas tan potentes como los computadores convencionales y, a veces, más eficientes: alguna de ellas mejora el rendimiento, al menos temporal, de problemas NPcompletos proporcionando costes no exponenciales. La representación formal de las redes de procesadores evolutivos requiere de construcciones, tanto independientes, como dependientes del contexto, dicho de otro modo, en general una representación formal completa de un NEP implica restricciones, tanto sintácticas, como semánticas, es decir, que muchas representaciones aparentemente (sintácticamente) correctas de casos particulares de estos dispositivos no tendrían sentido porque podrían no cumplir otras restricciones semánticas. La aplicación de evolución gramatical semántica a los NEPs pasa por la elección de un subconjunto de ellos entre los que buscar los que solucionen un problema concreto. En este trabajo se ha realizado un estudio sobre un modelo inspirado en la biología celular denominado redes de procesadores evolutivos [55, 53], esto es, redes cuyos nodos son procesadores muy simples capaces de realizar únicamente un tipo de mutación puntual (inserción, borrado o sustitución de un símbolo). Estos nodos están asociados con un filtro que está definido por alguna condición de contexto aleatorio o de pertenencia. Las redes están formadas a lo sumo de seis nodos y, teniendo los filtros definidos por una pertenencia a lenguajes regulares, son capaces de generar todos los lenguajes enumerables recursivos independientemente del grafo subyacente. Este resultado no es sorprendente ya que semejantes resultados han sido documentados en la literatura. Si se consideran redes con nodos y filtros definidos por contextos aleatorios {que parecen estar más cerca a las implementaciones biológicas{ entonces se pueden generar lenguajes más complejos como los lenguajes no independientes del contexto. Sin embargo, estos mecanismos tan simples son capaces de resolver problemas complejos en tiempo polinomial. Se ha presentado una solución lineal para un problema NP-completo, el problema de los 3-colores. Como primer aporte significativo se ha propuesto una nueva dinámica de las redes de procesadores evolutivos con un comportamiento no determinista y masivamente paralelo [55], y por tanto todo el trabajo de investigación en el área de la redes de procesadores se puede trasladar a las redes masivamente paralelas. Por ejemplo, las redes masivamente paralelas se pueden modificar de acuerdo a determinadas reglas para mover los filtros hacia las conexiones. Cada conexión se ve como un canal bidireccional de manera que los filtros de entrada y salida coinciden. A pesar de esto, estas redes son computacionalmente completas. Se pueden también implementar otro tipo de reglas para extender este modelo computacional. Se reemplazan las mutaciones puntuales asociadas a cada nodo por la operación de splicing. Este nuevo tipo de procesador se denomina procesador splicing. Este modelo computacional de Red de procesadores con splicing ANSP es semejante en cierto modo a los sistemas distribuidos en tubos de ensayo basados en splicing. Además, se ha definido un nuevo modelo [56] {Redes de procesadores evolutivos con filtros en las conexiones{ , en el cual los procesadores tan solo tienen reglas y los filtros se han trasladado a las conexiones. Dicho modelo es equivalente, bajo determinadas circunstancias, a las redes de procesadores evolutivos clásicas. Sin dichas restricciones el modelo propuesto es un superconjunto de los NEPs clásicos. La principal ventaja de mover los filtros a las conexiones radica en la simplicidad de la modelización. Otras aportaciones de este trabajo ha sido el dise~no de un simulador en Java [54, 52] para las redes de procesadores evolutivos propuestas en esta Tesis. Sobre el término "procesador evolutivo" empleado en esta Tesis, el proceso computacional descrito aquí no es exactamente un proceso evolutivo en el sentido Darwiniano. Pero las operaciones de reescritura que se han considerado pueden interpretarse como mutaciones y los procesos de filtrado se podrían ver como procesos de selección. Además, este trabajo no abarca la posible implementación biológica de estas redes, a pesar de ser de gran importancia. A lo largo de esta tesis se ha tomado como definición de la medida de complejidad para los ANSP, una que denotaremos como tama~no (considerando tama~no como el número de nodos del grafo subyacente). Se ha mostrado que cualquier lenguaje enumerable recursivo L puede ser aceptado por un ANSP en el cual el número de procesadores está linealmente acotado por la cardinalidad del alfabeto de la cinta de una máquina de Turing que reconoce dicho lenguaje L. Siguiendo el concepto de ANSP universales introducido por Manea [65], se ha demostrado que un ANSP con una estructura de grafo fija puede aceptar cualquier lenguaje enumerable recursivo. Un ANSP se puede considerar como un ente capaz de resolver problemas, además de tener otra propiedad relevante desde el punto de vista práctico: Se puede definir un ANSP universal como una subred, donde solo una cantidad limitada de parámetros es dependiente del lenguaje. La anterior característica se puede interpretar como un método para resolver cualquier problema NP en tiempo polinomial empleando un ANSP de tama~no constante, concretamente treinta y uno. Esto significa que la solución de cualquier problema NP es uniforme en el sentido de que la red, exceptuando la subred universal, se puede ver como un programa; adaptándolo a la instancia del problema a resolver, se escogerín los filtros y las reglas que no pertenecen a la subred universal. Un problema interesante desde nuestro punto de vista es el que hace referencia a como elegir el tama~no optimo de esta red.---ABSTRACT---This thesis deals with the recent research works in the area of Natural Computing {bio-inspired models{, more precisely Networks of Evolutionary Processors first developed by Victor Mitrana and they are based on P Systems whose father is Georghe Paun. In these models, they are a set of processors connected in an underlying undirected graph, such processors have an object multiset (strings) and a set of rules, named evolution rules, that transform objects inside processors[55, 53],. These objects can be sent/received using graph connections provided they accomplish constraints defined at input and output filters processors have. This symbolic model, non deterministic one (processors are not synchronized) and massive parallel one[55] (all rules can be applied in one computational step) has some important properties regarding solution of NP-problems in lineal time and of course, lineal resources. There are a great number of variants such as hybrid networks, splicing processors, etc. that provide the model a computational power equivalent to Turing machines. The origin of networks of evolutionary processors (NEP for short) is a basic architecture for parallel and distributed symbolic processing, related to the Connection Machine as well as the Logic Flow paradigm, which consists of several processors, each of them being placed in a node of a virtual complete graph, which are able to handle data associated with the respective node. All the nodes send simultaneously their data and the receiving nodes handle also simultaneously all the arriving messages, according to some strategies. In a series of papers one considers that each node may be viewed as a cell having genetic information encoded in DNA sequences which may evolve by local evolutionary events, that is point mutations. Each node is specialized just for one of these evolutionary operations. Furthermore, the data in each node is organized in the form of multisets of words (each word appears in an arbitrarily large number of copies), and all the copies are processed in parallel such that all the possible events that can take place do actually take place. Obviously, the computational process just described is not exactly an evolutionary process in the Darwinian sense. But the rewriting operations we have considered might be interpreted as mutations and the filtering process might be viewed as a selection process. Recombination is missing but it was asserted that evolutionary and functional relationships between genes can be captured by taking only local mutations into consideration. It is clear that filters associated with each node allow a strong control of the computation. Indeed, every node has an input and output filter; two nodes can exchange data if it passes the output filter of the sender and the input filter of the receiver. Moreover, if some data is sent out by some node and not able to enter any node, then it is lost. In this paper we simplify the ANSP model considered in by moving the filters from the nodes to the edges. Each edge is viewed as a two-way channel such that the input and output filters coincide. Clearly, the possibility of controlling the computation in such networks seems to be diminished. For instance, there is no possibility to loose data during the communication steps. In spite of this and of the fact that splicing is not a powerful operation (remember that splicing systems generates only regular languages) we prove here that these devices are computationally complete. As a consequence, we propose characterizations of two complexity classes, namely NP and PSPACE, in terms of accepting networks of restricted splicing processors with filtered connections. We proposed a uniform linear time solution to SAT based on ANSPFCs with linearly bounded resources. This solution should be understood correctly: we do not solve SAT in linear time and space. Since any word and auxiliary word appears in an arbitrarily large number of copies, one can generate in linear time, by parallelism and communication, an exponential number of words each of them having an exponential number of copies. However, this does not seem to be a major drawback since by PCR (Polymerase Chain Reaction) one can generate an exponential number of identical DNA molecules in a linear number of reactions. It is worth mentioning that the ANSPFC constructed above remains unchanged for any instance with the same number of variables. Therefore, the solution is uniform in the sense that the network, excepting the input and output nodes, may be viewed as a program according to the number of variables, we choose the filters, the splicing words and the rules, then we assign all possible values to the variables, and compute the formula.We proved that ANSP are computationally complete. Do the ANSPFC remain still computationally complete? If this is not the case, what other problems can be eficiently solved by these ANSPFCs? Moreover, the complexity class NP is exactly the class of all languages decided by ANSP in polynomial time. Can NP be characterized in a similar way with ANSPFCs?

Influencia de las condiciones de procesado mediante FDM sobre las propiedades físicas y mecánicas del plástico ABS

El propósito del presente proyecto fue seleccionar la configuración de fabricación de probetas obtenidas mediante el proceso de Modelado por Deposición Fundida (FDM) con el termoplástico acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), que optimice las propiedades mecánicas de las probetas y el ahorro de material de apoyo. Se aplicaron técnicas de caracterización física y mecánica y de microscopia electrónica de barrido (SEM). Los resultados indicaron que las probetas verticales presentaron aproximadamente el 6 % de pérdida de material frente cerca de un 40% de las probetas horizontales. La rotura de los cordones se produjo longitudinalmente en el borde de las probetas horizontales mientras que en el borde de las probetas verticales fueron por despegue de los cordones de ABS. La rotura de los cordones en el interior de ambas probetas fue en la dirección de los cordones. ABSTRACT The purpose of this project was to select the manufacture design in test specimens obtained using Fused Deposition Modeling (FDM) with Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), thus optimizing the mechanical properties of the test specimens and saving the support material. The study was carried out by mean of mechanical and physical characterization techniques as well as Scanning Electron Microscopy (SEM). The results indicated that the horizontal test specimen showed approximately 40% of material loss compared to the vertical test specimen showed a loss 8%. The ABS filament breakage occurred longitudinally on the edge of the horizontal test specimen while the ABS filament breakage was transversely by the separation of the ABS filament on the edge of the vertical tests. The breakage of the filament inside both test specimens was in the direction of the filaments.

Caracterización de parámetros petrofísicos relacionados con la capacidad de almacenamiento de CO2 en el acuífero salino profundo de Hontomín (Burgos)

La conciencia de la crisis de la modernidad -que comienza ya a finales del siglo XIX- ha cobrado más experiencia debido al conocimiento de los límites del desarrollo económico, ya que como parecía razonable pensar, también los recursos naturales son finitos. En 1972, el Club de Roma analizó las distintas opciones disponibles para conseguir armonizar el desarrollo sostenible y las limitaciones medioambientales. Fue en 1987 cuando la Comisión Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo de la ONU definía por primera vez el concepto de desarrollo sostenible. Definición que posteriormente fue incorporada en todos los programas de la ONU y sirvió de eje, por ejemplo, a la Cumbre de la Tierra celebrada en Río de Janeiro en 1992. Parece evidente que satisfacer la demanda energética, fundamentalmente desde la Revolución Industrial en el s XIX, trajo consigo un creciente uso de los combustibles fósiles, con la consiguiente emisión de los gases de efecto invernadero (GEI) y el aumento de la temperatura global media terrestre. Esta temperatura se incrementó en los últimos cien años en una media de 0.74ºC. La mayor parte del incremento observado desde la mitad del siglo XX en esta temperatura media se debe, con una probabilidad de al menos el 90%, al aumento observado en los GEI antropogénicos, siendo uno de ellos el CO2 que proviene de la transformación del carbono de los combustibles fósiles durante su combustión. Ante el creciente uso de los combustibles fósiles, los proyectos CAC, proyectos de captura, transporte y almacenamiento, se presentan como una contribución al desarrollo sostenible ya que se trata de una tecnología que permite mitigar el cambio climático. Para valorar si la tecnología CAC es sostenible, habrá que comprobar si existe o no capacidad para almacenar el CO2 en una cantidad mayor a la de producción y durante el tiempo necesario que impone la evolución de la concentración de CO2 en la atmósfera para mantenerla por debajo de las 450ppmv (concentración de CO2 que propone el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático). El desarrollo de los proyectos CAC completos pasa por la necesaria selección de adecuados almacenes de CO2 que sean capaces de soportar los efectos de las presiones de inyección, así como asegurar la capacidad de dichos almacenes y la estanqueidad del CO2 en los mismos. La caracterización geológica de un acuífero susceptible de ser almacén de CO2 debe conducir a determinar las propiedades que dicho almacén posee para asegurar un volumen adecuado de almacenamiento, una inyectabilidad del CO2 en el mismo a un ritmo adecuado y la estanqueidad del CO2 en dicho acuífero a largo plazo. El presente trabajo pretende estudiar los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén, para lo que en primer lugar se ha desarrollado la tecnología necesaria para llevar a cabo la investigación mediante ensayos de laboratorio. Así, se ha desarrollado una patente, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", con la que se ha llevado a cabo la parte experimental de este trabajo para la caracterización de los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén. Una vez desarrollada la tecnología, se aborda el estudio de los distintos parámetros que tienen influencia en la capacidad del almacén realizando ensayos con ATAP. Estos ensayos definen el volumen del almacenamiento, llegándose a la conclusión de que en la determinación de este volumen, juegan un papel importante el alcance de los mecanismos trampa, físicos o químicos, del CO2 en el almacén. Ensayos que definen la capacidad del almacén de "aceptar" o "rechazar" el CO2 inyectado, la inyectabilidad, y por último, ensayos encaminados a determinar posibles fugas que se pueden dar a través de los pozos de inyección, definidos estos como caminos preferenciales de fugas en un almacén subterráneo de CO2. Queda de este modo caracterizada la estanqueidad del CO2 en el acuífero a largo plazo y su influencia obvia en la determinación de la capacidad del almacén. Unido al propósito de la estimación de la capacidad del almacén, se encuentra el propósito de asegurar la estanqueidad de dichos almacenes en el tiempo, y adelantarse a la evolución de la pluma de CO2 en el interior de dichos almacenes. Para cumplir este propósito, se ha desarrollado un modelo dinámico a escala de laboratorio, mediante el programa ECLIPSE 300, con el fin de establecer una metodología para el cálculo de la capacidad estimada del almacén, así como el estudio de la evolución de la pluma de CO2 dentro del acuífero a lo largo del tiempo, partiendo de los resultados obtenidos en los ensayos realizados en ATAP y con la modelización de la probeta de roca almacén empleada en dichos ensayos. Presentamos por tanto un trabajo que establece las bases metodológicas para el estudio de la influencia de distintos parámetros petrofísicos en el cálculo de la capacidad del almacén unidos al desarrollo tecnológico de ATAP y su utilización para la determinación de dichos parámetros aplicables a cada acuífero concreto de estudio. ABSTRACT The crisis of modernity –which begins at the end of 19th Century- has been more important due to the knowledge of the limits of economic development, since it appeared to be thought reasonable, the natural resources are finite. In 1972, The Club of Rome analyzed the different options available in order to harmonize the sustainability and the environment development. It was in 1987 when The Global Commission on The Environment and the Development of UN, defined for the first time the concept of Sustainable Development. This definition that was fully incorporated in all the UN programs and it was useful as an axis, for example, in La Cumbre de la Tierra summit in Río de Janeiro in 1992. It seems obvious to satisfy energetic demand, basically after The Industrial Revolution in 19th Century, which represented an increasing use of fossil fuels, therefore greenhouse gases emission and the increasing of global average temperature. This temperature increased in the last 100 years up to 0.74ºC. The major part of the temperature increase is due to the increase observed in Greenhouse gases with human origin, at least with 90% of probability. The most important gas is the CO2 because of its quantity. In the face of the increasing use of fossil fuels, the CCS projects, Carbon Capture and Storage projects, appear as a contribution of sustainable development since it is a technology for avoiding the climate change. In order to evaluate if CCS technology is sustainable, it will be necessary to prove if the capacity for CO2 storage is available or not in a quantity greater than the production one and during the time necessary to keep the CO2 concentration in the atmosphere lower than 450ppmv (concentration imposed by IPCC). The development of full CCS projects goes through the selection of good CO2 storages that are able to support the effects of pressure injection, and assure the capacity of such storages and the watertightness of CO2. The geological characterization of the aquifer that could be potential CO2 storage should lead to determine the properties that such storage has in order to assure the adequate storage volume, the CO2 injectivity in a good rate, and the watertightness of the CO2 in the long term. The present work aims to study the parameters that have influence on the calculation of storage capacity, and for that purpose the appropriate technology has been developed for carrying out the research by mean of laboratory tests. Thus, a patent has been developed, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", that has been used for developing the experimental part of this work. Once the technology has been developed, the study of different parameters, that have influence on the capacity of the storage, has been addressed developing different tests in ATAP. These tests define the storage volume which is related to the scope of different CO2 trap mechanisms, physical or chemical, in the storage. Tests that define the capacity of the storage to “accept” or “reject” the injected CO2, the injectivity, and tests led to determine possible leakages through injection wells. In this way we could talk about the watertightness in the aquifer in the long term and its influence on the storage capacity estimation. Together with the purpose of the storage capacity estimation, is the purpose of assuring the watertightness of such storages in the long term and anticipating the evolution of CO2 plume inside such aquifers. In order to fulfill this purpose, a dynamic model has been developed with ECLIPSE 300, for stablishing the methodology for the calculation of storage capacity estimation and the evolution of the CO2 plume, starting out with the tests carried out in ATAP. We present this work that establishes the methodology bases for the study of the influence of different petrophysics parameters in the calculation of the capacity of the storage together with the technological development of ATAP and its utilization for the determination of such parameters applicable to each aquifer.