Studio e sviluppo di un motore a 2 tempi diesel veloce di nuova concezione per applicazioni automobilistiche

The Department of Mechanical and Civil Engineering (DIMeC) of the University of Modena and Reggio Emilia is developing a new type of small capacity HSDI 2-Stroke Diesel engine (called HSD2), featuring a specifically designed combustion system, aimed to reduce weight, size and manufacturing costs, and improving pollutant emissions at partial load. The present work is focused on the analysis of the combustion and the scavenging process, investigated by means of a version of the KIVA-3V code customized by the University of Chalmers and modified by DIMeC. The customization of the KIVA-3V code includes a detailed combustion chemistry approach, coupled with a comprehensive oxidation mechanism for diesel oil surrogate and the modeling of turbulence/chemistry interaction through the PaSR (Partially Stirred Reactor) model. A four stroke automobile Diesel engine featuring a very close bore size is taken as a reference, for both the numerical models calibration and for a comparison with the 2-Stroke engine. Analysis is carried out trough a comparison between HSD2 and FIAT 1300 MultiJet in several operating conditions, at full and partial load. Such a comparison clearly demonstrates the effectiveness of the two stroke concept in terms of emissions reduction and high power density. However, HSD2 is still a virtual engine, and experimental results are needed to assume the reliability of numerical results.

Sulla ricerca del minimo dei consumi per vetture sportive

La ricerca oggetto di questa tesi, come si evince dal titolo stesso, è volta alla riduzione dei consumi per vetture a forte carattere sportivo ed elevate prestazioni specifiche. In particolare, tutte le attività descritte fanno riferimento ad un ben definito modello di vettura, ovvero la Maserati Quattroporte. Lo scenario all’interno del quale questo lavoro si inquadra, è quello di una forte spinta alla riduzione dei cosiddetti gas serra, ossia dell’anidride carbonica, in linea con quelle che sono le disposizioni dettate dal protocollo di Kyoto. La necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di CO2 sta condizionando tutti i settori della società: dal riscaldamento degli edifici privati a quello degli stabilimenti industriali, dalla generazione di energia ai processi produttivi in senso lato. Nell’ambito di questo panorama, chiaramente, sono chiamati ad uno sforzo considerevole i costruttori di automobili, alle quali è imputata una percentuale considerevole dell’anidride carbonica prodotta ogni giorno e riversata nell’atmosfera. Al delicato problema inquinamento ne va aggiunto uno forse ancor più contingente e diretto, legato a ragioni di carattere economico. I combustibili fossili, come tutti sanno, sono una fonte di energia non rinnovabile, la cui disponibilità è legata a giacimenti situati in opportune zone del pianeta e non inesauribili. Per di più, la situazione socio politica che il medio oriente sta affrontando, unita alla crescente domanda da parte di quei paesi in cui il processo di industrializzazione è partito da poco a ritmi vertiginosi, hanno letteralmente fatto lievitare il prezzo del petrolio. A causa di ciò, avere una vettura efficiente in senso lato e, quindi, a ridotti consumi, è a tutti gli effetti un contenuto di prodotto apprezzato dal punto di vista del marketing, anche per i segmenti vettura più alti. Nell’ambito di questa ricerca il problema dei consumi è stato affrontato come una conseguenza del comportamento globale della vettura in termini di efficienza, valutando il miglior compromesso fra le diverse aree funzionali costituenti il veicolo. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata alla messa a punto di un modello di calcolo, attraverso il quale eseguire una serie di analisi di sensibilità sull’influenza dei diversi parametri vettura sul consumo complessivo di carburante. Sulla base di tali indicazioni, è stata proposta una modifica dei rapporti del cambio elettro-attuato con lo scopo di ottimizzare il compromesso tra consumi e prestazioni, senza inficiare considerevolmente queste ultime. La soluzione proposta è stata effettivamente realizzata e provata su vettura, dando la possibilità di verificare i risultati ed operare un’approfondita attività di correlazione del modello di calcolo per i consumi. Il beneficio ottenuto in termini di autonomia è stato decisamente significativo con riferimento sia ai cicli di omologazione europei, che a quelli statunitensi. Sono state inoltre analizzate le ripercussioni dal punto di vista delle prestazioni ed anche in questo caso i numerosi dati rilevati hanno permesso di migliorare il livello di correlazione del modello di simulazione per le prestazioni. La vettura con la nuova rapportatura proposta è stata poi confrontata con un prototipo di Maserati Quattroporte avente cambio automatico e convertitore di coppia. Questa ulteriore attività ha permesso di valutare il differente comportamento tra le due soluzioni, sia in termini di consumo istantaneo, che di consumo complessivo rilevato durante le principali missioni su banco a rulli previste dalle normative. L’ultima sezione del lavoro è stata dedicata alla valutazione dell’efficienza energetica del sistema vettura, intesa come resistenza all’avanzamento incontrata durante il moto ad una determinata velocità. Sono state indagate sperimentalmente le curve di “coast down” della Quattroporte e di alcune concorrenti e sono stati proposti degli interventi volti alla riduzione del coefficiente di penetrazione aerodinamica, pur con il vincolo di non alterare lo stile vettura.

Creazione e sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per un sistema fuel cell

The control of a proton exchange membrane fuel cell system (PEM FC) for domestic heat and power supply requires extensive control measures to handle the complicated process. Highly dynamic and non linear behavior, increase drastically the difficulties to find the optimal design and control strategies. The objective is to design, implement and commission a controller for the entire fuel cell system. The fuel cell process and the control system are engineered simultaneously; therefore there is no access to the process hardware during the control system development. Therefore the method of choice was a model based design approach, following the rapid control prototyping (RCP) methodology. The fuel cell system is simulated using a fuel cell library which allowed thermodynamic calculations. In the course of the development the process model is continuously adapted to the real system. The controller application is designed and developed in parallel and thereby tested and verified against the process model. Furthermore, after the commissioning of the real system, the process model can be also better identified and parameterized utilizing measurement data to perform optimization procedures. The process model and the controller application are implemented in Simulink using Mathworks` Real Time Workshop (RTW) and the xPC development suite for MiL (model-in-theloop) and HiL (hardware-in-the-loop) testing. It is possible to completely develop, verify and validate the controller application without depending on the real fuel cell system, which is not available for testing during the development process. The fuel cell system can be immediately taken into operation after connecting the controller to the process.

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Argumentation and artifacts for intelligent multi-agent systems

Reasoning under uncertainty is a human capacity that in software system is necessary and often hidden. Argumentation theory and logic make explicit non-monotonic information in order to enable automatic forms of reasoning under uncertainty. In human organization Distributed Cognition and Activity Theory explain how artifacts are fundamental in all cognitive process. Then, in this thesis we search to understand the use of cognitive artifacts in an new argumentation framework for an agent-based artificial society.

Enabling computationally intensive bioinformatics applications on the Grid platform

Bioinformatics is a recent and emerging discipline which aims at studying biological problems through computational approaches. Most branches of bioinformatics such as Genomics, Proteomics and Molecular Dynamics are particularly computationally intensive, requiring huge amount of computational resources for running algorithms of everincreasing complexity over data of everincreasing size. In the search for computational power, the EGEE Grid platform, world's largest community of interconnected clusters load balanced as a whole, seems particularly promising and is considered the new hope for satisfying the everincreasing computational requirements of bioinformatics, as well as physics and other computational sciences. The EGEE platform, however, is rather new and not yet free of problems. In addition, specific requirements of bioinformatics need to be addressed in order to use this new platform effectively for bioinformatics tasks. In my three years' Ph.D. work I addressed numerous aspects of this Grid platform, with particular attention to those needed by the bioinformatics domain. I hence created three major frameworks, Vnas, GridDBManager and SETest, plus an additional smaller standalone solution, to enhance the support for bioinformatics applications in the Grid environment and to reduce the effort needed to create new applications, additionally addressing numerous existing Grid issues and performing a series of optimizations. The Vnas framework is an advanced system for the submission and monitoring of Grid jobs that provides an abstraction with reliability over the Grid platform. In addition, Vnas greatly simplifies the development of new Grid applications by providing a callback system to simplify the creation of arbitrarily complex multistage computational pipelines and provides an abstracted virtual sandbox which bypasses Grid limitations. Vnas also reduces the usage of Grid bandwidth and storage resources by transparently detecting equality of virtual sandbox files based on content, across different submissions, even when performed by different users. BGBlast, evolution of the earlier project GridBlast, now provides a Grid Database Manager (GridDBManager) component for managing and automatically updating biological flatfile databases in the Grid environment. GridDBManager sports very novel features such as an adaptive replication algorithm that constantly optimizes the number of replicas of the managed databases in the Grid environment, balancing between response times (performances) and storage costs according to a programmed cost formula. GridDBManager also provides a very optimized automated management for older versions of the databases based on reverse delta files, which reduces the storage costs required to keep such older versions available in the Grid environment by two orders of magnitude. The SETest framework provides a way to the user to test and regressiontest Python applications completely scattered with side effects (this is a common case with Grid computational pipelines), which could not easily be tested using the more standard methods of unit testing or test cases. The technique is based on a new concept of datasets containing invocations and results of filtered calls. The framework hence significantly accelerates the development of new applications and computational pipelines for the Grid environment, and the efforts required for maintenance. An analysis of the impact of these solutions will be provided in this thesis. This Ph.D. work originated various publications in journals and conference proceedings as reported in the Appendix. Also, I orally presented my work at numerous international conferences related to Grid and bioinformatics.

Semantic-based middleware solutions to support context-aware service provisioning in pervasive environments

The dynamicity and heterogeneity that characterize pervasive environments raise new challenges in the design of mobile middleware. Pervasive environments are characterized by a significant degree of heterogeneity, variability, and dynamicity that conventional middleware solutions are not able to adequately manage. Originally designed for use in a relatively static context, such middleware systems tend to hide low-level details to provide applications with a transparent view on the underlying execution platform. In mobile environments, however, the context is extremely dynamic and cannot be managed by a priori assumptions. Novel middleware should therefore support mobile computing applications in the task of adapting their behavior to frequent changes in the execution context, that is, it should become context-aware. In particular, this thesis has identified the following key requirements for novel context-aware middleware that existing solutions do not fulfil yet. (i) Middleware solutions should support interoperability between possibly unknown entities by providing expressive representation models that allow to describe interacting entities, their operating conditions and the surrounding world, i.e., their context, according to an unambiguous semantics. (ii) Middleware solutions should support distributed applications in the task of reconfiguring and adapting their behavior/results to ongoing context changes. (iii) Context-aware middleware support should be deployed on heterogeneous devices under variable operating conditions, such as different user needs, application requirements, available connectivity and device computational capabilities, as well as changing environmental conditions. Our main claim is that the adoption of semantic metadata to represent context information and context-dependent adaptation strategies allows to build context-aware middleware suitable for all dynamically available portable devices. Semantic metadata provide powerful knowledge representation means to model even complex context information, and allow to perform automated reasoning to infer additional and/or more complex knowledge from available context data. In addition, we suggest that, by adopting proper configuration and deployment strategies, semantic support features can be provided to differentiated users and devices according to their specific needs and current context. This thesis has investigated novel design guidelines and implementation options for semantic-based context-aware middleware solutions targeted to pervasive environments. These guidelines have been applied to different application areas within pervasive computing that would particularly benefit from the exploitation of context. Common to all applications is the key role of context in enabling mobile users to personalize applications based on their needs and current situation. The main contributions of this thesis are (i) the definition of a metadata model to represent and reason about context, (ii) the definition of a model for the design and development of context-aware middleware based on semantic metadata, (iii) the design of three novel middleware architectures and the development of a prototypal implementation for each of these architectures, and (iv) the proposal of a viable approach to portability issues raised by the adoption of semantic support services in pervasive applications.

Middleware per la gestione di interfacce di comunicazione e di sorgenti di contesto in ambienti wireless eterogenei

The full exploitation of multi-hop multi-path connectivity opportunities offered by heterogeneous wireless interfaces could enable innovative Always Best Served (ABS) deployment scenarios where mobile clients dynamically self-organize to offer/exploit Internet connectivity at best. Only novel middleware solutions based on heterogeneous context information can seamlessly enable this scenario: middleware solutions should i) provide a translucent access to low-level components, to achieve both fully aware and simplified pre-configured interactions, ii) permit to fully exploit communication interface capabilities, i.e., not only getting but also providing connectivity in a peer-to-peer fashion, thus relieving final users and application developers from the burden of directly managing wireless interface heterogeneity, and iii) consider user mobility as crucial context information evaluating at provision time the suitability of available Internet points of access differently when the mobile client is still or in motion. The novelty of this research work resides in three primary points. First of all, it proposes a novel model and taxonomy providing a common vocabulary to easily describe and position solutions in the area of context-aware autonomic management of preferred network opportunities. Secondly, it presents PoSIM, a context-aware middleware for the synergic exploitation and control of heterogeneous positioning systems that facilitates the development and portability of location-based services. PoSIM is translucent, i.e., it can provide application developers with differentiated visibility of data characteristics and control possibilities of available positioning solutions, thus dynamically adapting to application-specific deployment requirements and enabling cross-layer management decisions. Finally, it provides the MMHC solution for the self-organization of multi-hop multi-path heterogeneous connectivity. MMHC considers a limited set of practical indicators on node mobility and wireless network characteristics for a coarsegrained estimation of expected reliability/quality of multi-hop paths available at runtime. In particular, MMHC manages the durability/throughput-aware formation and selection of different multi-hop paths simultaneously. Furthermore, MMHC provides a novel solution based on adaptive buffers, proactively managed based on handover prediction, to support continuous services, especially by pre-fetching multimedia contents to avoid streaming interruptions.

Management and routing algorithms for ad-hoc and sensor networks

Large scale wireless adhoc networks of computers, sensors, PDAs etc. (i.e. nodes) are revolutionizing connectivity and leading to a paradigm shift from centralized systems to highly distributed and dynamic environments. An example of adhoc networks are sensor networks, which are usually composed by small units able to sense and transmit to a sink elementary data which are successively processed by an external machine. Recent improvements in the memory and computational power of sensors, together with the reduction of energy consumptions, are rapidly changing the potential of such systems, moving the attention towards datacentric sensor networks. A plethora of routing and data management algorithms have been proposed for the network path discovery ranging from broadcasting/floodingbased approaches to those using global positioning systems (GPS). We studied WGrid, a novel decentralized infrastructure that organizes wireless devices in an adhoc manner, where each node has one or more virtual coordinates through which both message routing and data management occur without reliance on either flooding/broadcasting operations or GPS. The resulting adhoc network does not suffer from the deadend problem, which happens in geographicbased routing when a node is unable to locate a neighbor closer to the destination than itself. WGrid allow multidimensional data management capability since nodes' virtual coordinates can act as a distributed database without needing neither special implementation or reorganization. Any kind of data (both single and multidimensional) can be distributed, stored and managed. We will show how a location service can be easily implemented so that any search is reduced to a simple query, like for any other data type. WGrid has then been extended by adopting a replication methodology. We called the resulting algorithm WRGrid. Just like WGrid, WRGrid acts as a distributed database without needing neither special implementation nor reorganization and any kind of data can be distributed, stored and managed. We have evaluated the benefits of replication on data management, finding out, from experimental results, that it can halve the average number of hops in the network. The direct consequence of this fact are a significant improvement on energy consumption and a workload balancing among sensors (number of messages routed by each node). Finally, thanks to the replications, whose number can be arbitrarily chosen, the resulting sensor network can face sensors disconnections/connections, due to failures of sensors, without data loss. Another extension to {WGrid} is {W*Grid} which extends it by strongly improving network recovery performance from link and/or device failures that may happen due to crashes or battery exhaustion of devices or to temporary obstacles. W*Grid guarantees, by construction, at least two disjoint paths between each couple of nodes. This implies that the recovery in W*Grid occurs without broadcasting transmissions and guaranteeing robustness while drastically reducing the energy consumption. An extensive number of simulations shows the efficiency, robustness and traffic road of resulting networks under several scenarios of device density and of number of coordinates. Performance analysis have been compared to existent algorithms in order to validate the results.

Meta-models, environment and layers: agent-oriented engineering of complex systems

Traditional software engineering approaches and metaphors fall short when applied to areas of growing relevance such as electronic commerce, enterprise resource planning, and mobile computing: such areas, in fact, generally call for open architectures that may evolve dynamically over time so as to accommodate new components and meet new requirements. This is probably one of the main reasons that the agent metaphor and the agent-oriented paradigm are gaining momentum in these areas. This thesis deals with the engineering of complex software systems in terms of the agent paradigm. This paradigm is based on the notions of agent and systems of interacting agents as fundamental abstractions for designing, developing and managing at runtime typically distributed software systems. However, today the engineer often works with technologies that do not support the abstractions used in the design of the systems. For this reason the research on methodologies becomes the basic point in the scientific activity. Currently most agent-oriented methodologies are supported by small teams of academic researchers, and as a result, most of them are in an early stage and still in the first context of mostly \academic" approaches for agent-oriented systems development. Moreover, such methodologies are not well documented and very often defined and presented only by focusing on specific aspects of the methodology. The role played by meta- models becomes fundamental for comparing and evaluating the methodologies. In fact a meta-model specifies the concepts, rules and relationships used to define methodologies. Although it is possible to describe a methodology without an explicit meta-model, formalising the underpinning ideas of the methodology in question is valuable when checking its consistency or planning extensions or modifications. A good meta-model must address all the different aspects of a methodology, i.e. the process to be followed, the work products to be generated and those responsible for making all this happen. In turn, specifying the work products that must be developed implies dening the basic modelling building blocks from which they are built. As a building block, the agent abstraction alone is not enough to fully model all the aspects related to multi-agent systems in a natural way. In particular, different perspectives exist on the role that environment plays within agent systems: however, it is clear at least that all non-agent elements of a multi-agent system are typically considered to be part of the multi-agent system environment. The key role of environment as a first-class abstraction in the engineering of multi-agent system is today generally acknowledged in the multi-agent system community, so environment should be explicitly accounted for in the engineering of multi-agent system, working as a new design dimension for agent-oriented methodologies. At least two main ingredients shape the environment: environment abstractions - entities of the environment encapsulating some functions -, and topology abstractions - entities of environment that represent the (either logical or physical) spatial structure. In addition, the engineering of non-trivial multi-agent systems requires principles and mechanisms for supporting the management of the system representation complexity. These principles lead to the adoption of a multi-layered description, which could be used by designers to provide different levels of abstraction over multi-agent systems. The research in these fields has lead to the formulation of a new version of the SODA methodology where environment abstractions and layering principles are exploited for en- gineering multi-agent systems.

Metodi numerici per lo studio di centri di lavoro ad alta velocità

A Machining Centre is nowadays a complex mechanical, electronic, electrical system that needs integrated design capabilities which very often require a high time-consuming effort. Numerical techniques for designing and dimensioning the machine structure and components usually requires different knowledge according to the system that have to be designed. This Ph. D Thesis is related about the efforts of the Authors to develop a system that allows to perform the complete project of a new machine optimized in its dynamic behaviour. An integration of the different systems developed, each of which respond to specific necessities of designer, is here presented. In particular a dynamic analysis system, based on a lumped mass approach, that rapidly allows to setup the drives of the machine and an Integrated Dynamic Simulation System, based on a FEM approach, that permit a dynamic optimization, are shown. A multilevel Data Base, and an operator interface module provide to complete the designing platform. The proposed approach represents a significant step toward the virtual machining for the prediction of the quality of the worked surface.

Turismo religioso: percorsi culturali-religiosi come leva di sviluppo territoriale

Il lavoro di tesi di dottorato, dal titolo “Turismo religioso: percorsi culturali-religiosi come leva di sviluppo territoriale”, ha preso in esame in particolare il tema dei percorsi culturali/religiosi, considerati “strategici” in una prospettiva di ricomposizione territoriale e di sviluppo locale, e considerati importanti per la promozione di nuovi flussi turistici e valorizzazione delle risorse storiche, artistiche e culturali del Salento leccese. Il lavoro di tesi affronta il tema del turismo culturale legato all’offerta del bene religioso inteso come potenziale fattore di attrazione turistica ed importante risorsa per lo sviluppo sostenibile del territorio. L’attenzione a santuari e luoghi di culto costituisce, infatti, una valida occasione di interesse per le opere d'arte in essi presenti, e rappresenta anche una possibilità di conoscenza del territorio in cui essi insistono, diventando la destinazione di un turismo colto e di qualità. Il lavoro di tesi, si propone di dimostrare come l’attenzione al motivo religioso creando mobilità, flussi di popolazione, di turisti possa diventare occasione di promozione del prodotto locale, mettendo a sistema tutte le risorse economiche presenti nel territorio. Più in dettaglio, dopo un iniziale approccio teorico al concetto di turismo culturale, turismo religioso e marketing territoriale, esso analizza lo stato dell’arte nel territorio provinciale leccese, individuando possibili itinerari turistico-religiosi nel Salento leccese rapportati ai “Cammini d’Europa”. Si propone l’itinerario turistico - e, in particolare, a quello Leucadense, noto come la “via della Perdonanza di Leuca”, che segue la via dei pellegrinaggi medioevali che si suffragavano di luoghi di sosta in chiese e cappelle dedicate alla Vergine Maria - come strumento verso cui si orientano le recenti strategie di competitività territoriale, definibile come uno strumento d’offerta turistica che mira a valorizzare elementi-risorse del territorio. Si tratta di percorsi utili a promuovere un prodotto competitivo, che presuppone l’enucleazione dell’offerta turistica locale integrata e la costruzione intorno ad essi di un territorio dotato di infrastrutture, ricettività, politiche dell’accoglienza, valorizzazione e fruizione del patrimonio culturale materiale, immateriale ed ambientale. Non mancano nel lavoro preoccupazioni legate alla sostenibilità di un tipo di turismo, che, se di massa (come è il caso delle visite al santuario di San Pio a San Giovanni Rotondo), produce gravi pressioni sull’ambiente e perciò necessita un forte impegno in termini di pubblicità, pianificazione investimenti e presume un’opportuna programmazione da parte degli enti locali in termini di offerta ricettiva, ristorativa e dotazione di infrastrutture. La coerenza degli interventi che promuovono il prodotto religioso non può prescindere da un’integrazione orizzontale tra il sistema territoriale (ambiente, paesaggio, sistemi socio-produttivi) e gli attori locali coinvolti, ai fini di un processo di valorizzazione del patrimonio culturale che produce sviluppo locale.

Uso sostenibile dei suoli forestali di ambiente costiero in relazione ai fattori di pressione esistenti

Oggetto di studio del dottorato sono stati i suoli forestali in ambiente litoraneo della Regione Emilia-Romagna. In particolare sono state considerate quattro zone di studio in Provincia di Ravenna: Pineta di San Vitale, aree boscate di Bellocchio, Pineta di Classe e Pineta di Pinarella di Cervia. Lo studio in una prima fase si è articolato nella definizione dello stato del sistema suolo, mediante la caratterizzazione pedologica delle zone di studio. A tale scopo è stata messa a punto un’adeguata metodologia d’indagine costituita da un’indagine ambientale e successivamente da un’indagine pedologica. L’indagine ambientale, mediante fotointerpretazione ed elaborazione di livelli informativi in ambito GIS, ha permesso di individuare ambiti pedogenetici omogenei. L’indagine pedologica in campo ha messo in luce l’elevata variabilità spaziale di alcuni fattori della pedogenesi, in particolar modo l’andamento microtopografico tipico dei sistemi dunali costieri e la profondità della falda freatica del piano campagna. Complessivamente sono stati aperti descritti e campionati 40 profili pedologici. Sugli orizzonti diagnostici di questi sono state eseguite le seguenti analisi: tessitura, pH, calcare totale, carbonio organico, azoto kjeldahl, conduttività elettrica (CE), capacità di scambio cationico (CSC) e calcare attivo. I suoli presentano, ad eccezione della tessitura (generalmente grossolana), un’elevata variabilità delle proprietà chimico fisiche in funzione della morfologia, della profondità e della vicinanza della falda freatica. Sono state riscontrate diverse correlazioni, tra le più significative quelle tra carbonio organico e calcare totale (coeff. di correlazione R = -0.805 per Pineta di Classe) e tra calcare totale e pH (R = 0.736), dalle quali si è compreso in che misura l’effetto della decarbonatazione agisce nei diversi ambiti pedogenetici e tra suoli con diversa età di formazione. Il calcare totale varia da 0 a oltre 400 g.kg-1 e aumenta dalla superficie in profondità, dall’entroterra verso la costa e da nord verso sud. Il carbonio organico, estremamente variabile (0.1 - 107 g.kg-1), è concentrato soprattutto nel primo orizzonte superficiale. Il rapporto C/N (>10 in superficie e molto variabile in profondità) evidenzia una efficienza di umificazione non sempre ottimale specialmente negli orizzonti prossimi alla falda freatica. I tipi di suoli presenti, classificati secondo la Soil Taxonomy, sono risultati essere Mollic/Sodic/Typic Psammaquents nelle zone interdunali, Typic Ustipsamments sulle sommità dunali e Oxiaquic/Aquic Ustipsamments negli ambienti morfologici intermedi. Come sintesi della caratterizzazione pedologica sono state prodotte due carte dei suoli, rispettivamente per Pineta di San Vitale (scala 1:20000) e per le aree boscate di Bellocchio (scala 1:10000), rappresentanti la distribuzione dei pedotipi osservati. In una seconda fase si è focalizzata l’attenzione sugli impatti che le principali pressioni naturali ed antropiche, possono esercitare sul suolo, condizionandone la qualità in virtù delle esigenze del soprasuolo forestale. Si è scelta la zona sud di Pineta San Vitale come area campione per monitorarne mensilmente, su quattro siti rappresentativi, le principali caratteristiche chimico-fisiche dei suoli e delle acque di falda, onde evidenziare possibili correlazioni. Le principali determinazioni svolte sia nel suolo in pasta satura che nelle acque di falda hanno riguardato CE, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, SO4 2-, HCO3 - e SAR (Sodium Adsorption Ratio). Per ogni sito indagato sono emersi andamenti diversi dei vari parametri lungo i profili, correlabili in diversa misura tra di loro. Si sono osservati forti trend di aumento di CE e degli ioni solubili verso gli orizzonti profondi in profili con acqua di falda più salina (19 – 28 dS.m-1) e profonda (1 – 1.6 m dalla superficie), mentre molto significativi sono apparsi gli accumuli di sali in superficie nei mesi estivi (CE in pasta satura da 17.6 a 28.2 dS.m-1) nei profili con falda a meno di 50 cm dalla superficie. Si è messo successivamente in relazione la CE nel suolo con diversi parametri ambientali più facilmente monitorabili quali profondità e CE di falda, temperatura e precipitazioni, onde trovarne una relazione statistica. Dai dati di tre dei quattro siti monitorati è stato possibile definire tali relazioni con equazioni di regressione lineare a più variabili. Si è cercato poi di estendere l’estrapolabilità della CE del suolo per tutte le altre casistiche possibili di Pineta San Vitale mediante la formulazione di un modello empirico. I dati relativi alla CE nel suolo sia reali che estrapolati dal modello, sono stati messi in relazione con le esigenze di alcune specie forestali presenti nelle zone di studio e con diverso grado di tolleranza alla salinità ed al livello di umidità nel suolo. Da tali confronti è emerso che per alcune specie moderatamente tolleranti la salinità (Pinus pinea, Pinus pinaster e Juniperus communis) le condizioni critiche allo sviluppo e alla sopravvivenza sono da ricondursi, per la maggior parte dei casi, alla falda non abbastanza profonda e non tanto alla salinità che essa trasmette sull’intero profilo del suolo. Per altre specie quali Quercus robur, Populus alba, Fraxinus oxycarpa e Ulmus minor moderatamente sensibili alla salinità, ma abituate a vivere in suoli più umidi, la salinità di una falda troppo prossima alla superficie può ripercuotersi su tutto il profilo e generare condizioni critiche di sviluppo. Nei suoli di Pineta San Vitale sono stati inoltre studiati gli aspetti relativi all’inquinamento da accumulo di alcuni microtossici nei suoli quali Ag, Cd, Ni e Pb. In alcuni punti di rilievo sono stati osservati moderati fattori di arricchimento superficiale per Pb e Cd riconducibili all’attività antropica, mentre le aliquote biodisponibili risultano maggiori in superficie, ma all’interno dei valori medi dei suoli italiani. Lo studio svolto ha permesso di meglio conoscere gli impatti sul suolo, causati dalle principali pressioni esistenti, in un contesto dinamico. In particolare, si è constatato come i suoli delle zone studiate abbiano un effetto tampone piuttosto ridotto sulla mitigazione degli effetti indotti dalle pressioni esterne prese in esame (salinizzazione, sodicizzazione e innalzamento della falda freatica). Questo è dovuto principalmente alla ridotta presenza di scambiatori sulla matrice solida atti a mantenere un equilibrio dinamico con le frazioni solubili. Infine le variabili ambientali considerate sono state inserite in un modello concettuale DPSIR (Driving forces, Pressures, States, Impacts, Responces) dove sono stati prospettati, in via qualitativa, alcuni scenari in funzione di possibili risposte gestionali verosimilmente attuabili, al fine di modificare le pressioni che insistono sul sistema suolo-vegetazione delle pinete ravennati.

Sensori chimici basati su molecole e nanoparticelle

Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di riferimento, il pirene. Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire “slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e diagnostico. Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso. L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche. A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente, mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita sempre più basse. Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà implementato a sua volta su superficie solida. In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi (ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.