Compositional evolution with mass transfer in closed systems

Evolution of compositions in time, space, temperature or other covariates is frequent in practice. For instance, the radioactive decomposition of a sample changes its composition with time. Some of the involved isotopes decompose into other isotopes of the sample, thus producing a transfer of mass from some components to other ones, but preserving the total mass present in the system. This evolution is traditionally modelled as a system of ordinary di erential equations of the mass of each component. However, this kind of evolution can be decomposed into a compositional change, expressed in terms of simplicial derivatives, and a mass evolution (constant in this example). A rst result is that the simplicial system of di erential equations is non-linear, despite of some subcompositions behaving linearly. The goal is to study the characteristics of such simplicial systems of di erential equa- tions such as linearity and stability. This is performed extracting the compositional dif ferential equations from the mass equations. Then, simplicial derivatives are expressed in coordinates of the simplex, thus reducing the problem to the standard theory of systems of di erential equations, including stability. The characterisation of stability of these non-linear systems relays on the linearisation of the system of di erential equations at the stationary point, if any. The eigenvelues of the linearised matrix and the associated behaviour of the orbits are the main tools. For a three component system, these orbits can be plotted both in coordinates of the simplex or in a ternary diagram. A characterisation of processes with transfer of mass in closed systems in terms of stability is thus concluded. Two examples are presented for illustration, one of them is a radioactive decay

Public and student awareness science: recreational science as a catalyst

When discussing the traditional and new missions of higher education (1996 Report to UNESCO of the International Commission on Education for the 21st Century) Jacques Delors stated that "Excessive attraction to social sciences has broken equilibrium of available graduates for workforce, thus causing doubts of graduates and employers on the quality of knowledge provided by higher education". Likewise, when discussing the progress of science and technology, the 1998 UNESCO World Conference on Higher Education concluded that "Another challenge concerts the latest advancements of Science, the sine qua non of sustainable development"; and that “with Information Technology, the unavoidable invasion of virtual reality has increased the distance between industrial and developing countries". Recreational Science has a long tradition all over the Educational World; it aims to show the basic aspects of Science, aims to entertain, and aims to induce thinking. Until a few years ago, this field of knowledge consisted of a few books, a few kits and other classical (yet innovative) ways to popularize the knowledge of Nature and the laws governing it. In Spain, the interest for recreational science has increased in the last years. First, new recreational books are being published and found in bookstores. Second the number of Science-related museums and exhibits is increasing. And third, new television shows are produced and new short science-based, superficial sketches are found in variety programs. However, actual programs in Spanish television dealing seriously with Science are scarce. Recreational Science, especially that related to physical phenomena like light or motion, is generally found at Science Museums because special equipment is required. On the contrary, Science related mathematics, quizzes and puzzles use to gather into books, e.g. the extensive collections by Martin Gardner. However, lately Science podcasts have entered the field of science communication. Not only traditional science journals and television channels are providing audio and video podcasts, but new websites deal exclusively with science podcasts, in particular on Recreational Science. In this communication we discuss the above mentioned trends and show our experience in the last two years in participating at Science Fairs and university-sponsored events to attract students to science and technology careers. We show a combination of real examples (e.g., mathemagic), imagination, use of information technology, and use of social networks. We present as well an experience on designing a computational, interactive tool to promote chemistry among high school, prospective students using computers ("Dancing with Bionanomolecules"). Like the concepts related to Web 2.0, it has been already proposed that a new framework for communication of science is emerging, i.e., Science Communication 2.0, where people and institutions develop new innovative ways to explain science topics to diverse publics – and where Recreational Science is likely to play a leading role

La Mejora de la docencia universitaria a través de la trasferencia de buenas prácticas = Improving college teaching through the transfer of good practice

La comunicación presentada forma parte del proyecto excelencia titulado: “Conocimiento y competencia profesional del profesor universitario sobre enseñanza y el aprendizaje en entornos de tecnología avanzada de la información y la comunicación”; que pretendía apoyar , desde la investigación de campo, la mejora de la actividad académica universitaria y difundir a nivel operativo acciones de innovación educativa y del uso de la tecnología avanzada en los procesos de enseñanza-aprendizaje, que permitiesen construir y recopilar el conocimiento profesional docente en la universidad

Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

Estimates of electronic coupling for excess electron transfer in DNA

Electronic coupling Vda is one of the key parameters that determine the rate of charge transfer through DNA. While there have been several computational studies of Vda for hole transfer, estimates of electronic couplings for excess electron transfer (ET) in DNA remain unavailable. In the paper, an efficient strategy is established for calculating the ET matrix elements between base pairs in a π stack. Two approaches are considered. First, we employ the diabatic-state (DS) method in which donor and acceptor are represented with radical anions of the canonical base pairs adenine-thymine (AT) and guanine-cytosine (GC). In this approach, similar values of Vda are obtained with the standard 6-31 G* and extended 6-31++ G* basis sets. Second, the electronic couplings are derived from lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) of neutral systems by using the generalized Mulliken-Hush or fragment charge methods. Because the radical-anion states of AT and GC are well reproduced by LUMOs of the neutral base pairs calculated without diffuse functions, the estimated values of Vda are in good agreement with the couplings obtained for radical-anion states using the DS method. However, when the calculation of a neutral stack is carried out with diffuse functions, LUMOs of the system exhibit the dipole-bound character and cannot be used for estimating electronic couplings. Our calculations suggest that the ET matrix elements Vda for models containing intrastrand thymine and cytosine bases are essentially larger than the couplings in complexes with interstrand pyrimidine bases. The matrix elements for excess electron transfer are found to be considerably smaller than the corresponding values for hole transfer and to be very responsive to structural changes in a DNA stack

Charge transfer in DNA: hole charge is confined to a single base pair due to solvation effects

We include solvation effects in tight-binding Hamiltonians for hole states in DNA. The corresponding linear-response parameters are derived from accurate estimates of solvation energy calculated for several hole charge distributions in DNA stacks. Two models are considered: (A) the correction to a diagonal Hamiltonian matrix element depends only on the charge localized on the corresponding site and (B) in addition to this term, the reaction field due to adjacent base pairs is accounted for. We show that both schemes give very similar results. The effects of the polar medium on the hole distribution in DNA are studied. We conclude that the effects of polar surroundings essentially suppress charge delocalization in DNA, and hole states in (GC)n sequences are localized on individual guanines

Educació ambiental: un enfocament metodològic en formació inicial del professorat d'Educació Primària

Aquesta tesi se situa en una perspectiva de l'Educació Ambiental adreçada a la Sostenibilitat i com a nucli catalitzador d'una Educació per al Canvi. Amb la investigació que es presenta es pretén, a més, contribuir a reduir el buit existent entre el marc teòric de l'Educació Ambiental i la seva transposició didàctica en la formació inicial del professorat, i al mateix temps poder fer aportacions significatives en el camp dels enfocaments pedagògics i estratègies metodològiques d'aquest àmbit de l'educació. En primer lloc, es presenta una anàlisi del marc teòric que ha informat el desenvolupament de l'Educació Ambiental, la seva reorientació i reconceptualització en la dècada dels anys noranta, i s'exposen el debat i les tendències actuals. A continuació es presenta l'anàlisi del nivell d'incorporació de l'Educació Ambiental, així com dels factors que en limiten o dificulten una plena integració, tant a nivell de l'etapa d'educació primària, com en la formació inicial del professorat. Es porta també a terme una revisió i una anàlisi exhaustiva de l'estat actual de la investigació en Educació Ambiental, a nivell nacional i internacional, i a partir d'ella es revela el dèficit que existeix, particularment, en la investigació educativa en Educació Ambiental en la formació inicial del professorat, i sobretot en el camp dels enfocaments pedagògics i estratègies metodològiques. El propòsit concret de la investigació se centra en: (i) analitzar l'impacte d'un enfocament metodològic (metodologia triaxial) aplicat en un curs d'Educació Ambiental en formació inicial del professorat; (ii) explorar el procés de formació en Educació Ambiental des del propi pensament dels estudiants. Aquest propòsit general ha portat la definició dels objectius d'investigació següents: (a) dissenyar i aplicar un enfocament metodològic triaxial en la formació en Educació Ambiental del professorat; (b) dissenyar i aplicar els instruments que promouen el procés de reflexió, individual i col·lectiu, en els estudiants; (c) explorar el procés de formació en Educació Ambiental des del pensament dels estudiants i a través dels instruments utilitzats per a la reflexió; (d) valorar la metodologia triaxial en la formació en Educació Ambiental de futurs i futures mestres d'Educació Primària. Cal destacar que la metodologia triaxial elaborada i aplicada es basa en la integració de tres eixos processals: procés d'investigació, procés de reflexió i procés de treball cooperatiu, i és consistent amb el model teòric que s'exposa i es defensa en la investigació (el capítol 5 tracta, concretament, del disseny, estructuració i desenvolupament del curs fonamentat en aquesta metodologia) La investigació se situa en el paradigma interpretatiu d'investigació educativa i en una metodologia d'anàlisi qualitativa. La mostra l'ha constituïda un grup classe, 42 estudiants, del 3r curs dels estudis de Magisteri, curs 1998/99, de la Universitat de Girona. Els instruments d'anàlisi han estat els instruments de reflexió, individual i col·lectiva, utilitzats en el curs. Destaquem l'ús d'un diari de grup, especialment dissenyat i estructurat per a promoure la reflexió col·lectiva, com l'aportació més rellevant en relació als instruments per a la reflexió. El diari de grup ha estat l'instrument vertebrador de la metodologia d'anàlisi qualitativa, i, tal com s'ha aplicat en aquesta investigació, s'ha validat com a un instrument nuclear i eficaç per a la reflexió de grup, i per explorar i analitzar el procés de formació en Educació Ambiental i de la formació professional general del grup d'estudiants. La resta d'instruments han estat, bàsicament, qüestionaris individuals, en diferents moments del curs; els documents produïts pels estudiants (propostes didàctiques en Educació Ambiental) i la memòria de la investigadora. La triangulació s'ha realitzat a través de tots els instruments. En la investigació es presenta, de manera detallada, com s'ha dut a terme el procés d'anàlisi de cadascun dels instruments i els resultats extrets. L'anàlisi dels resultats ha permès dibuixar l'evolució del pensament dels estudiants al llarg del curs i realitzar una anàlisi holística i multidimensional del seu procés de formació en Educació Ambiental. S'ha produït un canvi substancial en relació a la comprensió i assumpció dels components de l'Educació Ambiental: rellevància, holisme, educació crítica, educació en valors, capacitat de responsabilitat, d'acció i d'atendre diferents punts de vista i perspectives. Al llarg del curs i del procés hi ha una clara potenciació de qualitats dinàmiques. Al mateix temps, l'anàlisi revela la interdependència real i efectiva dels tres processos que configuren la metodologia triaxial i la seva clara influència en la formació en Educació Ambiental del grup d'estudiants i en la construcció dels seus models didàctics. En la investigació es conclou, entre altres aspectes, que l'enfocament metodològic, basat en un procés triaxial, aplicat en la formació inicial del grup de futurs i futures mestres, ha resultat de gran eficàcia i rellevància en la seva formació en Educació Ambiental i, també, en la seva formació com a professionals investigadors, crítico- reflexius, amb capacitat d'innovació i amb un grau més alt d' "empowerment". Cal dir que la metodologia triaxial es revela amb altes possibilitats de transferència i adaptabilitat a altres estudis. La transferibilitat d'aquesta metodologia serà objecte de seguiment investigatiu amb el propòsit de trobar les orientacions pedagògiques més adequades a cada àmbit i situació, ja que pot oferir aportacions valuoses en el camp de l'Ambientalització Curricular dels estudis universitaris.

New mono- and dinuclear ruthenium complexes containing the 3,5-bis(2-pyridyl)pyrazole ligand. Synthesis, characterization and applications

Se han sintetizado dos nuevos complejos mononucleares de Ru, con formula [RuCl2(Hbpp)(dmso)2], a partir de la reacción entre [RuCl2(dmso)4] y Hbpp (3,5-bis(2-piridil)pirazola). El hecho que sólo tres de los seis posibles estereoisómeros se obtengan a partir de esta reacción, se ha racionalizado en base a factores estructurales y electrónicos. Estos complejos se han caracterizado de forma estructural, espectroscópica y electroquímica. En acetonitrilo en medio básico, el isómero trans,cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2] da lugar a procesos de isomerización de enlace de un ligando dmso cuando el Ru(II) se oxida a Ru(III). Las constantes termodinámicas y cinéticas para el proceso se han determinado por voltametria cíclica. La irradiación de trans,cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2] y cis(out),cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2] con luz UV o solar da lugar a reacciones de fotosustitución de un ligando dmso por una molécula de acetonitrilo para dar un nuevo compuesto el cual ha sido caracterizado en solución por técnicas espectroscópicas y electroquímicas. Ambos complejos resultan catalizadores útiles en la transferencia de hidrógeno de isopropanol a acetofenona, obteniéndose 1-feniletanol como único producto y un 42.1% de conversión (36.1 ciclos metálicos) a 80ºC con el isómero trans,cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2], que resulta significativamente más eficaz que el complejo cis(out),cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2]. La reacción de cis(out),cis-[RuCl2(Hbpp)(dmso)2] con trpy (2,2':6',2"-terpiridina) da lugar a los dos isómeros geométricos del complejo [Ru(Hbpp)(trpy)(Cl)]+, el in y el out. Estos complejos se han aislado y caracterizado por técnicas estructurales, espectroscópicas y electroquímicas. Estos cloro complejos han sido utilizados como precursores para la síntesis de los complejos análogos con ligandos aqua (in,out-[Ru(Hbpp)(trpy)(H2O)]2+) y piridina (in,out-[Ru(Hbpp)(trpy)(py)]2+), los cuales también han sido aislados y caracterizados. Las propiedades ácido-base de los aqua complejos, y del complejo out-py se han estudiado detalladamente por voltametria cíclica y mediante valoraciones espectrofotométricas ácido-base. El tratamiento matemático de los datos así obtenidos nos ha permitido determinar los valores de pKa para los distintos equilibrios de protonación de los complejos en los estados de oxidación II y III. El complejo out-aqua ha demostrado ser un buen catalizador para la oxidación electroquímica del alcohol benzílico, presumiblemente a benzaldehido. La constante de velocidad de segundo orden para el proceso ha sido determinada como 17.1 M-1 s-1, por simulación matemática. El dímero con un puente cloro, [Ru2Cl(bpp)(trpy)2]2+ ha sido preparado por dos rutas sintéticas diferentes. El dímero análogo con un puente acetato se ha obtenido por reacción del cloro dímero con un exceso de acetato sódico. El dímero con dos ligandos aqua [Ru2(bpp)(trpy)2(OH2)2]3+ puede obtenerse por hidrólisis ácida del complejo con un acetato puente o por hidrólisis básica del complejo con un puente cloro. Estos complejos han sido caracterizados por técnicas estructurales, espectroscópicas y electroquímicas. Las soluciones del dímero con dos ligandos aqua en medio ácido resultan inestables a la coordinación de aniones de la solución con el tiempo. Las propiedades ácido-base del dímero con dos aguas coordinadas han sido estudiadas por voltametria cíclica y mediante experimentos de electrólisis a potencial controlado. El pKa para la desprotonación de uno de los ligandos aqua ha sido determinado mediante una valoración espectrofotométrica ácido-base como 6.7. Este valor tan bajo de pKa se atribuye a la formación de la entidad {Ru2O2H3}, favorable termodinámicamente. Los espectros UV-vis para los distintos estados de oxidación del aqua dímero, de RuIIRuII a RuIIIRuIV, han sido obtenidos por oxidación química y electroquímica del complejo. Se han llevado a cabo estudios cinéticos de la oxidación, paso a paso, de RuII,II a RuIV,IV , y se han determinado las constantes de oxidación de segundo orden para los distintos procesos de oxidación. La capacidad del aqua dímero en la oxidación del agua a oxígeno molecular ha sido investigada en solución homogénea utilizando CeIV como oxidante. La evolución de oxígeno se ha demostrado por cromatografia de gases. Se ha obtenido una eficiencia del 73% y 18.6 ciclos catalíticos, cuando 1.83 x 10-6 moles de dímero se han mezclado con un exceso de 100 equivalentes de cerio. El dímero con dos aguas cataliza también la oxidación del agua de forma heterogénea, con el complejo adsorbido sobre una membrana de nafion, aunque la eficiencia es menor. Se ha propuesto un mecanismo intramolecular para la reacción de oxidación del agua. Consiste en la oxidación a 4 electrones del dímero, de RuII,II a RuIV,IV, el cual reacciona con el agua para formar oxígeno y revierte nuevamente al estado de oxidación II,II. Este modelo es consistente con estudios catalíticos de la evolución de oxígeno en función de las concentraciones de cerio y catalizador, llevados a cabo en solución ácida homogénea, que demuestran que la oxidación a 4 electrones del agua se encuentra catalizada por una sola molécula de complejo bajo concentraciones elevadas de cerio. La constante de pseudo-primer-orden para la evolución de oxígeno tiene un valor de 1.4 x 10-2 s-1, que es uno de los valores de constante más elevados obtenidos hasta la fecha. Desafortunadamente, el aqua dímero se desactiva durante el proceso de catálisis dando lugar a una especie naranja, la cual estamos actualmente tratando de caracterizar.

Nous complexos mono- i dinuclears de ruteni amb lligands polipiridílics i de tipus fosfina. Síntesi, caracterització i aplicacions catalítiques

La Tesi descriu de manera completa una sèrie de complexos de ruteni amb lligands polipiridílics i lligands auxiliars de tipus fosfina, dmso, nitril o aquo. Es descriuen estudis d'isomerització (cis/trans o coordinació meridional/facial) en complexos mononuclears, a partir de tècniques espectroscòpiques. Els resultats experimentals es corroboren a partir de càlculs DFT. S'han fet també estudis d'activitat catalítica en transferència d'hidrogen per als complexos Ru-fosfina. S'han sintetitzat també complexos dinuclears de ruteni amb el lligand tetradentat Hbpp i s'ha avaluat llur activitat en la catàlisi d'oxidació d'aigua, determinant la importància de la correcta orientació relativa dels centres actius Ru=O. L'heterogeneïtzació dels complexos sobre suports conductors permet avaluar llur activitat en fase heterogènia, millorant respecte el corresponent procés en dissolució. La co-polimerització dels catalitzadors amb espècies de tipus metalocarborà, amb major dilució del catalitzador i minimització de la sobreoxidació, millora notablement els resultats, permetent diverses reutilitzacions.