Computational analyses on the structure-function relation in ion channels

Ion channels are protein molecules, embedded in the lipid bilayer of the cell membranes. They act as powerful sensing elements switching chemicalphysical stimuli into ion-fluxes. At a glance, ion channels are water-filled pores, which can open and close in response to different stimuli (gating), and one once open select the permeating ion species (selectivity). They play a crucial role in several physiological functions, like nerve transmission, muscular contraction, and secretion. Besides, ion channels can be used in technological applications for different purpose (sensing of organic molecules, DNA sequencing). As a result, there is remarkable interest in understanding the molecular determinants of the channel functioning. Nowadays, both the functional and the structural characteristics of ion channels can be experimentally solved. The purpose of this thesis was to investigate the structure-function relation in ion channels, by computational techniques. Most of the analyses focused on the mechanisms of ion conduction, and the numerical methodologies to compute the channel conductance. The standard techniques for atomistic simulation of complex molecular systems (Molecular Dynamics) cannot be routinely used to calculate ion fluxes in membrane channels, because of the high computational resources needed. The main step forward of the PhD research activity was the development of a computational algorithm for the calculation of ion fluxes in protein channels. The algorithm - based on the electrodiffusion theory - is computational inexpensive, and was used for an extensive analysis on the molecular determinants of the channel conductance. The first record of ion-fluxes through a single protein channel dates back to 1976, and since then measuring the single channel conductance has become a standard experimental procedure. Chapter 1 introduces ion channels, and the experimental techniques used to measure the channel currents. The abundance of functional data (channel currents) does not match with an equal abundance of structural data. The bacterial potassium channel KcsA was the first selective ion channels to be experimentally solved (1998), and after KcsA the structures of four different potassium channels were revealed. These experimental data inspired a new era in ion channel modeling. Once the atomic structures of channels are known, it is possible to define mathematical models based on physical descriptions of the molecular systems. These physically based models can provide an atomic description of ion channel functioning, and predict the effect of structural changes. Chapter 2 introduces the computation methods used throughout the thesis to model ion channels functioning at the atomic level. In Chapter 3 and Chapter 4 the ion conduction through potassium channels is analyzed, by an approach based on the Poisson-Nernst-Planck electrodiffusion theory. In the electrodiffusion theory ion conduction is modeled by the drift-diffusion equations, thus describing the ion distributions by continuum functions. The numerical solver of the Poisson- Nernst-Planck equations was tested in the KcsA potassium channel (Chapter 3), and then used to analyze how the atomic structure of the intracellular vestibule of potassium channels affects the conductance (Chapter 4). As a major result, a correlation between the channel conductance and the potassium concentration in the intracellular vestibule emerged. The atomic structure of the channel modulates the potassium concentration in the vestibule, thus its conductance. This mechanism explains the phenotype of the BK potassium channels, a sub-family of potassium channels with high single channel conductance. The functional role of the intracellular vestibule is also the subject of Chapter 5, where the affinity of the potassium channels hEag1 (involved in tumour-cell proliferation) and hErg (important in the cardiac cycle) for several pharmaceutical drugs was compared. Both experimental measurements and molecular modeling were used in order to identify differences in the blocking mechanism of the two channels, which could be exploited in the synthesis of selective blockers. The experimental data pointed out the different role of residue mutations in the blockage of hEag1 and hErg, and the molecular modeling provided a possible explanation based on different binding sites in the intracellular vestibule. Modeling ion channels at the molecular levels relates the functioning of a channel to its atomic structure (Chapters 3-5), and can also be useful to predict the structure of ion channels (Chapter 6-7). In Chapter 6 the structure of the KcsA potassium channel depleted from potassium ions is analyzed by molecular dynamics simulations. Recently, a surprisingly high osmotic permeability of the KcsA channel was experimentally measured. All the available crystallographic structure of KcsA refers to a channel occupied by potassium ions. To conduct water molecules potassium ions must be expelled from KcsA. The structure of the potassium-depleted KcsA channel and the mechanism of water permeation are still unknown, and have been investigated by numerical simulations. Molecular dynamics of KcsA identified a possible atomic structure of the potassium-depleted KcsA channel, and a mechanism for water permeation. The depletion from potassium ions is an extreme situation for potassium channels, unlikely in physiological conditions. However, the simulation of such an extreme condition could help to identify the structural conformations, so the functional states, accessible to potassium ion channels. The last chapter of the thesis deals with the atomic structure of the !- Hemolysin channel. !-Hemolysin is the major determinant of the Staphylococcus Aureus toxicity, and is also the prototype channel for a possible usage in technological applications. The atomic structure of !- Hemolysin was revealed by X-Ray crystallography, but several experimental evidences suggest the presence of an alternative atomic structure. This alternative structure was predicted, combining experimental measurements of single channel currents and numerical simulations. This thesis is organized in two parts, in the first part an overview on ion channels and on the numerical methods adopted throughout the thesis is provided, while the second part describes the research projects tackled in the course of the PhD programme. The aim of the research activity was to relate the functional characteristics of ion channels to their atomic structure. In presenting the different research projects, the role of numerical simulations to analyze the structure-function relation in ion channels is highlighted.

Non-Markovian stochastic processes and their applications: from anomalous diffusion to time series analysis

This work provides a forward step in the study and comprehension of the relationships between stochastic processes and a certain class of integral-partial differential equation, which can be used in order to model anomalous diffusion and transport in statistical physics. In the first part, we brought the reader through the fundamental notions of probability and stochastic processes, stochastic integration and stochastic differential equations as well. In particular, within the study of H-sssi processes, we focused on fractional Brownian motion (fBm) and its discrete-time increment process, the fractional Gaussian noise (fGn), which provide examples of non-Markovian Gaussian processes. The fGn, together with stationary FARIMA processes, is widely used in the modeling and estimation of long-memory, or long-range dependence (LRD). Time series manifesting long-range dependence, are often observed in nature especially in physics, meteorology, climatology, but also in hydrology, geophysics, economy and many others. We deepely studied LRD, giving many real data examples, providing statistical analysis and introducing parametric methods of estimation. Then, we introduced the theory of fractional integrals and derivatives, which indeed turns out to be very appropriate for studying and modeling systems with long-memory properties. After having introduced the basics concepts, we provided many examples and applications. For instance, we investigated the relaxation equation with distributed order time-fractional derivatives, which describes models characterized by a strong memory component and can be used to model relaxation in complex systems, which deviates from the classical exponential Debye pattern. Then, we focused in the study of generalizations of the standard diffusion equation, by passing through the preliminary study of the fractional forward drift equation. Such generalizations have been obtained by using fractional integrals and derivatives of distributed orders. In order to find a connection between the anomalous diffusion described by these equations and the long-range dependence, we introduced and studied the generalized grey Brownian motion (ggBm), which is actually a parametric class of H-sssi processes, which have indeed marginal probability density function evolving in time according to a partial integro-differential equation of fractional type. The ggBm is of course Non-Markovian. All around the work, we have remarked many times that, starting from a master equation of a probability density function f(x,t), it is always possible to define an equivalence class of stochastic processes with the same marginal density function f(x,t). All these processes provide suitable stochastic models for the starting equation. Studying the ggBm, we just focused on a subclass made up of processes with stationary increments. The ggBm has been defined canonically in the so called grey noise space. However, we have been able to provide a characterization notwithstanding the underline probability space. We also pointed out that that the generalized grey Brownian motion is a direct generalization of a Gaussian process and in particular it generalizes Brownain motion and fractional Brownain motion as well. Finally, we introduced and analyzed a more general class of diffusion type equations related to certain non-Markovian stochastic processes. We started from the forward drift equation, which have been made non-local in time by the introduction of a suitable chosen memory kernel K(t). The resulting non-Markovian equation has been interpreted in a natural way as the evolution equation of the marginal density function of a random time process l(t). We then consider the subordinated process Y(t)=X(l(t)) where X(t) is a Markovian diffusion. The corresponding time-evolution of the marginal density function of Y(t) is governed by a non-Markovian Fokker-Planck equation which involves the same memory kernel K(t). We developed several applications and derived the exact solutions. Moreover, we considered different stochastic models for the given equations, providing path simulations.

Caratterizzazione di membrane metalliche e ionomeriche per applicazioni energetiche

The work of this thesis has been focused on the characterization of metallic membranes for the hydrogen purification from steam reforming process and also of perfluorosulphonic acid ionomeric (PFSI) membranes suitable as electrolytes in fuel cell applications. The experimental study of metallic membranes was divided in three sections: synthesis of palladium and silver palladium coatings on porous ceramic support via electroless deposition (ELD), solubility and diffusivity analysis of hydrogen in palladium based alloys (temperature range between 200 and 400 °C up to 12 bar of pressure) and permeation experiments of pure hydrogen and mixtures containing, besides hydrogen, also nitrogen and methane at high temperatures (up to 600 °C) and pressures (up to 10 bar). Sequential deposition of palladium and silver on to porous alumina tubes by ELD technique was carried out using two different procedures: a stirred batch and a continuous flux method. Pure palladium as well as Pd-Ag membranes were produced: the Pd-Ag membranes’ composition is calculated to be close to 77% Pd and 23% Ag by weight which was the target value that correspond to the best performance of the palladium-based alloys. One of the membranes produced showed an infinite selectivity through hydrogen and relatively high permeability value and is suitable for the potential use as a hydrogen separator. The hydrogen sorption in silver palladium alloys was carried out in a gravimetric system on films produced by ELD technique. In the temperature range inspected, up to 400°C, there is still a lack in literature. The experimental data were analyzed with rigorous equations allowing to calculate the enthalpy and entropy values of the Sieverts’ constant; the results were in very good agreement with the extrapolation made with literature data obtained a lower temperature (up to 150 °C). The information obtained in this study would be directly usable in the modeling of hydrogen permeation in Pd-based systems. Pure and mixed gas permeation tests were performed on Pd-based hydrogen selective membranes at operative conditions close to steam-reforming ones. Two membranes (one produced in this work and another produced by NGK Insulators Japan) showed a virtually infinite selectivity and good permeability. Mixture data revealed the existence of non negligible resistances to hydrogen transport in the gas phase. Even if the decrease of the driving force due to polarization concentration phenomena occurs, in principle, in all membrane-based separation systems endowed with high perm-selectivity, an extensive experimental analysis lack, at the moment, in the palladium-based membrane process in literature. Moreover a new procedure has been introduced for the proper comparison of the mass transport resistance in the gas phase and in the membrane. Another object of study was the water vapor sorption and permeation in PFSI membranes with short and long side chains was also studied; moreover the permeation of gases (i.e. He, N2 and O2) in dry and humid conditions was considered. The water vapor sorption showed strong interactions between the hydrophilic groups and the water as revealed from the hysteresis in the sorption-desorption isotherms and thermo gravimetric analysis. The data obtained were used in the modeling of water vapor permeation, that was described as diffusion-reaction of water molecules, and in the humid gases permeation experiments. In the dry gas experiments the permeability and diffusivity was found to increase with temperature and with the equivalent weight (EW) of the membrane. A linear correlation was drawn between the dry gas permeability and the opposite of the equivalent weight of PFSI membranes, based on which the permeability of pure PTFE is retrieved in the limit of high EW. In the other hand O2 ,N2 and He permeability values was found to increase significantly, and in a similar fashion, with water activity. A model that considers the PFSI membrane as a composite matrix with a hydrophilic and a hydrophobic phase was considered allowing to estimate the variation of gas permeability with relative humidity on the basis of the permeability in the dry PFSI membrane and in pure liquid water.

Bistable elliptic equations with fractional diffusion

This work concerns the study of bounded solutions to elliptic nonlinear equations with fractional diffusion. More precisely, the aim of this thesis is to investigate some open questions related to a conjecture of De Giorgi about the one-dimensional symmetry of bounded monotone solutions in all space, at least up to dimension 8. This property on 1-D symmetry of monotone solutions for fractional equations was known in dimension n=2. The question remained open for n>2. In this work we establish new sharp energy estimates and one-dimensional symmetry property in dimension 3 for certain solutions of fractional equations. Moreover we study a particular type of solutions, called saddle-shaped solutions, which are the candidates to be global minimizers not one-dimensional in dimensions bigger or equal than 8. This is an open problem and it is expected to be true from the classical theory of minimal surfaces.

Diffusive models and chaos indicators for non-linear betatron motion in circular hadron accelerators

Understanding the complex dynamics of beam-halo formation and evolution in circular particle accelerators is crucial for the design of current and future rings, particularly those utilizing superconducting magnets such as the CERN Large Hadron Collider (LHC), its luminosity upgrade HL-LHC, and the proposed Future Circular Hadron Collider (FCC-hh). A recent diffusive framework, which describes the evolution of the beam distribution by means of a Fokker-Planck equation, with diffusion coefficient derived from the Nekhoroshev theorem, has been proposed to describe the long-term behaviour of beam dynamics and particle losses. In this thesis, we discuss the theoretical foundations of this framework, and propose the implementation of an original measurement protocol based on collimator scans in view of measuring the Nekhoroshev-like diffusive coefficient by means of beam loss data. The available LHC collimator scan data, unfortunately collected without the proposed measurement protocol, have been successfully analysed using the proposed framework. This approach is also applied to datasets from detailed measurements of the impact on the beam losses of so-called long-range beam-beam compensators also at the LHC. Furthermore, dynamic indicators have been studied as a tool for exploring the phase-space properties of realistic accelerator lattices in single-particle tracking simulations. By first examining the classification performance of known and new indicators in detecting the chaotic character of initial conditions for a modulated Hénon map and then applying this knowledge to study the properties of realistic accelerator lattices, we tried to identify a connection between the presence of chaotic regions in the phase space and Nekhoroshev-like diffusive behaviour, providing new tools to the accelerator physics community.

Maximum principle, mean value operators and quasi boundedness in non-euclidean settings

This work deals with some classes of linear second order partial differential operators with non-negative characteristic form and underlying non- Euclidean structures. These structures are determined by families of locally Lipschitz-continuous vector fields in RN, generating metric spaces of Carnot- Carath´eodory type. The Carnot-Carath´eodory metric related to a family {Xj}j=1,...,m is the control distance obtained by minimizing the time needed to go from two points along piecewise trajectories of vector fields. We are mainly interested in the causes in which a Sobolev-type inequality holds with respect to the X-gradient, and/or the X-control distance is Doubling with respect to the Lebesgue measure in RN. This study is divided into three parts (each corresponding to a chapter), and the subject of each one is a class of operators that includes the class of the subsequent one. In the first chapter, after recalling “X-ellipticity” and related concepts introduced by Kogoj and Lanconelli in [KL00], we show a Maximum Principle for linear second order differential operators for which we only assume a Sobolev-type inequality together with a lower terms summability. Adding some crucial hypotheses on measure and on vector fields (Doubling property and Poincar´e inequality), we will be able to obtain some Liouville-type results. This chapter is based on the paper [GL03] by Guti´errez and Lanconelli. In the second chapter we treat some ultraparabolic equations on Lie groups. In this case RN is the support of a Lie group, and moreover we require that vector fields satisfy left invariance. After recalling some results of Cinti [Cin07] about this class of operators and associated potential theory, we prove a scalar convexity for mean-value operators of L-subharmonic functions, where L is our differential operator. In the third chapter we prove a necessary and sufficient condition of regularity, for boundary points, for Dirichlet problem on an open subset of RN related to sub-Laplacian. On a Carnot group we give the essential background for this type of operator, and introduce the notion of “quasi-boundedness”. Then we show the strict relationship between this notion, the fundamental solution of the given operator, and the regularity of the boundary points.

L'eredità di Aldo Rossi nella Penisola Iberica. La costruzione della città e il progetto contemporaneo

Descrizione, tema e obiettivi della ricerca La ricerca si propone lo studio delle possibili influenze che la teoria di Aldo Rossi ha avuto sulla pratica progettuale nella Penisola Iberica, intende quindi affrontare i caratteri fondamentali della teoria che sta alla base di un metodo progettuale ed in particolar modo porre l'attenzione alle nuove costruzioni quando queste si confrontano con le città storiche. Ha come oggetto principale lo studio dei documenti, saggi e scritti riguardanti il tema della costruzione all'interno delle città storiche. Dallo studio di testi selezionati di Aldo Rossi sulla città si vuole concentrare l'attenzione sull'influenza che tale teoria ha avuto nei progetti della Penisola Iberica, studiare come è stata recepita e trasmessa successivamente, attraverso gli scritti di autori spagnoli e come ha visto un suo concretizzarsi poi nei progetti di nuove costruzioni all'interno delle città storiche. Si intende restringere il campo su un periodo ed un luogo precisi, Spagna e Portogallo a partire dagli anni Settanta, tramite la lettura di un importante evento che ha ufficializzato il contatto dell'architetto italiano con la Penisola Iberica, quale il Seminario di Santiago de Compostela tenutosi nel 1976. Al Seminario parteciparono numerosi architetti che si confrontarono su di un progetto per la città di Santiago e furono invitati personaggi di fama internazionale a tenere lezioni introduttive sul tema di dibattito in merito al progetto e alla città storica. Il Seminario di Santiago si colloca in un periodo storico cruciale per la Penisola Iberica, nel 1974 cade il regime salazarista in Portogallo e nel 1975 cade il regime franchista in Spagna ed è quindi di rilevante importanza capire il legame tra l'architettura e la nuova situazione politica. Dallo studio degli interventi, dei progetti che furono prodotti durante il Seminario, della relazione tra questo evento ed il periodo storico in cui esso va contestualizzato, si intende giungere alla individuazione delle tracce della reale presenza di tale eredità. Presupposti metodologici. Percorso e strumenti di ricerca La ricerca può quindi essere articolata in distinte fasi corrispondenti per lo più ai capitoli in cui si articola la tesi: una prima fase con carattere prevalentemente storica, di ricerca del materiale per poter definire il contesto in cui si sviluppano poi le vicende oggetto della tesi; una seconda fase di impronta teorica, ossia di ricerca bibliografica del materiale e delle testimonianze che provvedono alla definizione della reale presenza di effetti scaturiti dai contatti tra Rossi e la Penisola Iberica, per andare a costruire una eredità ; una terza fase che entra nel merito della composizione attraverso lo studio e la verifica delle prime due parti, tramite l'analisi grafica applicata ad uno specifico esempio architettonico selezionato; una quarta fase dove il punto di vista viene ribaltato e si indaga l'influenza dei luoghi visitati e dei contatti intrattenuti con alcuni personaggi della Penisola Iberica sull'architettura di Rossi, ricercandone i riferimenti. La ricerca è stata condotta attraverso lo studio di alcuni eventi selezionati nel corso degli anni che si sono mostrati significativi per l'indagine, per la risonanza che hanno avuto sulla storia dell'architettura della Penisola. A questo scopo si sono utilizzati principalmente tre strumenti: lo studio dei documenti, le pubblicazioni e le riviste prodotte in Spagna, gli scritti di Aldo Rossi in merito, e la testimonianza diretta attraverso interviste di personaggi chiave. La ricerca ha prodotto un testo suddiviso per capitoli che rispetta l'organizzazione in fasi di lavoro. A seguito di determinate condizioni storiche e politiche, studiate nella ricerca a supporto della tesi espressa, nella Penisola Iberica si è verificato il diffondersi della necessità e del desiderio di guardare e prendere a riferimento l'architettura europea e in particolar modo quella italiana. Il periodo sul quale viene focalizzata l'attenzione ha inizio negli anni Sessanta, gli ultimi prima della caduta delle dittature, scenario dei primi viaggi di Aldo Rossi nella Penisola Iberica. Questi primi contatti pongono le basi per intense e significative relazioni future. Attraverso l'approfondimento e la studio dei materiali relativi all'oggetto della tesi, si è cercato di mettere in luce il contesto culturale, l'attenzione e l'interesse per l'apertura di un dibattito intorno all'architettura, non solo a livello nazionale, ma europeo. Ciò ha evidenziato il desiderio di innescare un meccanismo di discussione e scambio di idee, facendo leva sull'importanza dello sviluppo e ricerca di una base teorica comune che rende coerente i lavori prodotti nel panorama architettonico iberico, seppur ottenendo risultati che si differenziano gli uni dagli altri. E' emerso un forte interesse per il discorso teorico sull'architettura, trasmissibile e comunicabile, che diventa punto di partenza per un metodo progettuale. Ciò ha reso palese una condivisione di intenti e l'assunzione della teoria di Aldo Rossi, acquisita, diffusa e discussa, attraverso la pubblicazione dei suoi saggi, la conoscenza diretta con l'architetto e la sua architettura, conferenze, seminari, come base teorica su cui fondare il proprio sapere architettonico ed il processo metodologico progettuale da applicare di volta in volta negli interventi concreti. Si è giunti così alla definizione di determinati eventi che hanno permesso di entrare nel profondo della questione e di sondare la relazione tra Rossi e la Penisola Iberica, il materiale fornito dallo studio di tali episodi, quali il I SIAC, la diffusione della rivista "2C. Construccion de la Ciudad", la Coleccion Arquitectura y Critica di Gustavo Gili, hanno poi dato impulso per il reperimento di una rete di ulteriori riferimenti. E' stato possibile quindi individuare un gruppo di architetti spagnoli, che si identificano come allievi del maestro Rossi, impegnato per altro in quegli anni nella formazione di una Scuola e di un insegnamento, che non viene recepito tanto nelle forme, piuttosto nei contenuti. I punti su cui si fondano le connessioni tra l'analisi urbana e il progetto architettonico si centrano attorno due temi di base che riprendono la teoria esposta da Rossi nel saggio L'architettura della città : - relazione tra l'area-studio e la città nella sua globalità, - relazione tra la tipologia edificatoria e gli aspetti morfologici. La ricerca presentata ha visto nelle sue successive fasi di approfondimento, come si è detto, lo sviluppo parallelo di più tematiche. Nell'affrontare ciascuna fase è stato necessario, di volta in volta, operare una verifica delle tappe percorse precedentemente, per mantenere costante il filo del discorso col lavoro svolto e ritrovare, durante lo svolgimento stesso della ricerca, gli elementi di connessione tra i diversi episodi analizzati. Tale operazione ha messo in luce talvolta nodi della ricerca rimasti in sospeso che richiedevano un ulteriore approfondimento o talvolta solo una rivisitazione per renderne possibile un più proficuo collegamento con la rete di informazioni accumulate. La ricerca ha percorso strade diverse che corrono parallele, per quanto riguarda il periodo preso in analisi: - i testi sulla storia dell'architettura spagnola e la situazione contestuale agli anni Settanta - il materiale riguardante il I SIAC - le interviste ai partecipanti al I SIAC - le traduzioni di Gustavo Gili nella Coleccion Arquitectura y Critica - la rivista "2C. Construccion de la Ciudad" Esse hanno portato alla luce una notevole quantità di tematiche, attraverso le quali, queste strade vengono ad intrecciarsi e a coincidere, verificando l'una la veridicità dell'altra e rafforzandone il valore delle affermazioni. Esposizione sintetica dei principali contenuti esposti dalla ricerca Andiamo ora a vedere brevemente i contenuti dei singoli capitoli. Nel primo capitolo Anni Settanta. Periodo di transizione per la Penisola Iberica si è cercato di dare un contesto storico agli eventi studiati successivamente, andando ad evidenziare gli elementi chiave che permettono di rintracciare la presenza della predisposizione ad un cambiamento culturale. La fase di passaggio da una condizione di chiusura rispetto alle contaminazioni provenienti dall'esterno, che caratterizza Spagna e Portogallo negli anni Sessanta, lascia il posto ad un graduale abbandono della situazione di isolamento venutasi a creare intorno al Paese a causa del regime dittatoriale, fino a giungere all'apertura e all'interesse nei confronti degli apporti culturali esterni. E' in questo contesto che si gettano le basi per la realizzazione del I Seminario Internazionale di Architettura Contemporanea a Santiago de Compostela, del 1976, diretto da Aldo Rossi e organizzato da César Portela e Salvador Tarragó, di cui tratta il capitolo secondo. Questo è uno degli eventi rintracciati nella storia delle relazioni tra Rossi e la Penisola Iberica, attraverso il quale è stato possibile constatare la presenza di uno scambio culturale e l'importazione in Spagna delle teorie di Aldo Rossi. Organizzato all'indomani della caduta del franchismo, ne conserva una reminescenza formale. Il capitolo è organizzato in tre parti, la prima si occupa della ricostruzione dei momenti salienti del Seminario Proyecto y ciudad historica, dagli interventi di architetti di fama internazionale, quali lo stesso Aldo Rossi, Carlo Aymonino, James Stirling, Oswald Mathias Ungers e molti altri, che si confrontano sul tema delle città storiche, alle giornate seminariali dedicate all’elaborazione di un progetto per cinque aree individuate all’interno di Santiago de Compostela e quindi dell’applicazione alla pratica progettuale dell’inscindibile base teorica esposta. Segue la seconda parte dello stesso capitolo riguardante La selezione di interviste ai partecipanti al Seminario. Esso contiene la raccolta dei colloqui avuti con alcuni dei personaggi che presero parte al Seminario e attraverso le loro parole si è cercato di approfondire la materia, in particolar modo andando ad evidenziare l’ambiente culturale in cui nacque l’idea del Seminario, il ruolo avuto nella diffusione della teoria di Aldo Rossi in Spagna e la ripercussione che ebbe nella pratica costruttiva. Le diverse interviste, seppur rivolte a persone che oggi vivono in contesti distanti e che in seguito a questa esperienza collettiva hanno intrapreso strade diverse, hanno fatto emergere aspetti comuni, tale unanimità ha dato ancor più importanza al valore di testimonianza offerta. L’elemento che risulta più evidente è il lascito teorico, di molto prevalente rispetto a quello progettuale che si è andato mescolando di volta in volta con la tradizione e l’esperienza dei cosiddetti allievi di Aldo Rossi. Negli stessi anni comincia a farsi strada l’importanza del confronto e del dibattito circa i temi architettonici e nel capitolo La fortuna critica della teoria di Aldo Rossi nella Penisola Iberica è stato affrontato proprio questo rinnovato interesse per la teoria che in quegli anni si stava diffondendo. Si è portato avanti lo studio delle pubblicazioni di Gustavo Gili nella Coleccion Arquitectura y Critica che, a partire dalla fine degli anni Sessanta, pubblica e traduce in lingua spagnola i più importanti saggi di architettura, tra i quali La arquitectura de la ciudad di Aldo Rossi, nel 1971, e Comlejidad y contradiccion en arquitectura di Robert Venturi nel 1972. Entrambi fondamentali per il modo di affrontare determinate tematiche di cui sempre più in quegli anni si stava interessando la cultura architettonica iberica, diventando così ¬ testi di riferimento anche nelle scuole. Le tracce dell’influenza di Rossi sulla Penisola Iberica si sono poi ricercate nella rivista “2C. Construccion de la Ciudad” individuata come strumento di espressione di una teoria condivisa. Con la nascita nel 1972 a Barcellona di questa rivista viene portato avanti l’impegno di promuovere la Tendenza, facendo riferimento all’opera e alle idee di Rossi ed altri architetti europei, mirando inoltre al recupero di un ruolo privilegiato dell’architettura catalana. A questo proposito sono emersi due fondamentali aspetti che hanno legittimato l’indagine e lo studio di questa fonte: - la diffusione della cultura architettonica, il controllo ideologico e di informazione operato dal lavoro compiuto dalla rivista; - la documentazione circa i criteri di scelta della redazione a proposito del materiale pubblicato. E’ infatti attraverso le pubblicazioni di “2C. Construccion de la Ciudad” che è stato possibile il ritrovamento delle notizie sulla mostra Arquitectura y razionalismo. Aldo Rossi + 21 arquitectos españoles, che accomuna in un’unica esposizione le opere del maestro e di ventuno giovani allievi che hanno recepito e condiviso la teoria espressa ne “L’architettura della città”. Tale mostra viene poi riproposta nella Sezione Internazionale di Architettura della XV Triennale di Milano, la quale dedica un Padiglione col titolo Barcelona, tres epocas tres propuestas. Dalla disamina dei progetti presentati è emerso un interessante caso di confronto tra le Viviendas para gitanos di César Portela e la Casa Bay di Borgo Ticino di Aldo Rossi, di cui si è occupato l’ultimo paragrafo di questo capitolo. Nel corso degli studi è poi emerso un interessante risvolto della ricerca che, capovolgendone l’oggetto stesso, ne ha approfondito gli aspetti cercando di scavare più in profondità nell’analisi della reciproca influenza tra la cultura iberica e Aldo Rossi, questa parte, sviscerata nell’ultimo capitolo, La Penisola Iberica nel “magazzino della memoria” di Aldo Rossi, ha preso il posto di quello che inizialmente doveva presentarsi come il risvolto progettuale della tesi. Era previsto infatti, al termine dello studio dell’influenza di Aldo Rossi sulla Penisola Iberica, un capitolo che concentrava l’attenzione sulla produzione progettuale. A seguito dell’emergere di un’influenza di carattere prettamente teorica, che ha sicuramente modificato la pratica dal punto di vista delle scelte architettoniche, senza però rendersi esplicita dal punto di vista formale, si è preferito, anche per la difficoltà di individuare un solo esempio rappresentativo di quanto espresso, sostituire quest’ultima parte con lo studio dell’altra faccia della medaglia, ossia l’importanza che a sua volta ha avuto la cultura iberica nella formazione della collezione dei riferimenti di Aldo Rossi. L’articolarsi della tesi in fasi distinte, strettamente connesse tra loro da un filo conduttore, ha reso necessari successivi aggiustamenti nel percorso intrapreso, dettati dall’emergere durante la ricerca di nuovi elementi di indagine. Si è pertanto resa esplicita la ricercata eredità di Aldo Rossi, configurandosi però prevalentemente come un’influenza teorica che ha preso le sfumature del contesto e dell’esperienza personale di chi se ne è fatto ricevente, diventandone così un continuatore attraverso il proprio percorso autonomo o collettivo intrapreso in seguito. Come suggerisce José Charters Monteiro, l’eredità di Rossi può essere letta attraverso tre aspetti su cui si basa la sua lezione: la biografia, la teoria dell’architettura, l’opera. In particolar modo per quanto riguarda la Penisola Iberica si può parlare dell’individuazione di un insegnamento riferito alla seconda categoria, i suoi libri di testo, le sue partecipazioni, le traduzioni. Questo è un lascito che rende possibile la continuazione di un dibattito in merito ai temi della teoria dell’architettura, della sue finalità e delle concrete applicazioni nelle opere, che ha permesso il verificarsi di una apertura mentale che mette in relazione l’architettura con altre discipline umanistiche e scientifiche, dalla politica, alla sociologia, comprendendo l’arte, le città la morfologia, la topografia, mediate e messe in relazione proprio attraverso l’architettura.

Meccanismi di formazione dei tubi di lava

Two analytical models are proposed to describe two different mechanisms of lava tubes formation. A first model is introduced to describe the development of a solid crust in the central region of the channel, and the formation of a tube when crust widens until it reaches the leve\'es. The Newtonian assumption is considered and the steady state Navier- Stokes equation in a rectangular conduit is solved. A constant heat flux density assigned at the upper flow surface resumes the combined effects of two thermal processes: radiation and convection into the atmosphere. Advective terms are also included, by the introduction of velocity into the expression of temperature. Velocity is calculated as an average value over the channel width, so that lateral variations of temperature are neglected. As long as the upper flow surface cools, a solid layer develops, described as a plastic body, having a resistance to shear deformation. If the applied shear stress exceeds this resistance, crust breaks, otherwise, solid fragments present at the flow surface can weld together forming a continuous roof, as it happens in the sidewall flow regions. Variations of channel width, ground slope and effusion rate are analyzed, as parameters that strongly affect the shear stress values. Crust growing is favored when the channel widens, and tube formation is possible when the ground slope or the effusion rate reduce. A comparison of results is successfully made with data obtained from the analysis of pictures of actual flows. The second model describes the formation of a stable, well defined crust along both channel sides, their growing towards the center and their welding to form the tube roof. The fluid motion is described as in the model above. Thermal budget takes into account conduction into the atmosphere, and advection is included considering the velocity depending both on depth and channel width. The solidified crust has a non uniform thickness along the channel width. Stresses acting on the crust are calculated using the equations of the elastic thin plate, pinned at its ends. The model allows to calculate the distance where crust thickness is able to resist the drag of the underlying fluid and to sustain its weight by itself, and the level of the fluid can lower below the tube roof. Viscosity and thermal conductivity have been experimentally investigated through the use of a rotational viscosimeter. Analyzing samples coming from Mount Etna (2002) the following results have been obtained: the fluid is Newtonian and the thermal conductivity is constant in a range of temperature above the liquidus. For lower temperature, the fluid becomes non homogeneous, and the used experimental techniques are not able to detect any properties, because measurements are not reproducible.

Mass transport in polymers

The study of mass transport in polymeric membranes has grown in importance due to its potential application in many processes such as separation of gases and vapors, packaging, controlled drug release. The diffusion of a low molecular weight species in a polymer is often accompanied by other phenomena like swelling, reactions, stresses, that have not been investigated in all their aspects yet. Furthermore, novel materials have been developed that include inorganic fillers, reactive functional groups or ions, that make the scenery even more complicated. The present work focused on the experimental study of systems where the diffusion is accompanied by other processes; suitable models were also developed to describe the particular circumstances in order to understand the underlying concepts and be able to design the performances of the material. The effect of solvent-induced deformation in polymeric films during sorption processes was studied since the dilation, especially in constrained membranes, can cause the development of stresses and therefore early failures of the material. The bending beam technique was used to test the effects of the dilation and the stress induced in the polymer by penetrant diffusion. A model based on the laminate theory was developed that accounts for the swelling and is able to predict the stress that raise in the material. The addition of inorganic fillers affects the transport properties of polymeric films. Mixed matrix membranes based on fluorinated, high free volume matrices show attractive performances for separation purposes but there is a need for deeper investigation of the selectivity properties towards gases and vapors. A new procedure based on the NELF model was tested on the experimental data; it allows to predict solubility of every penetrant on the basis of data for one vapor. The method has proved to be useful also for the determination of the diffusion coefficient and for an estimation of the permeability in the composite materials. Oxygen scavenging systems can overcome lack of barrier properties in common polymers that forbids their application in sensitive applications as food packaging. The final goal of obtaining a membrane almost impermeable to oxygen leads to experimental times out of reach. Hence, a simple model was developed in order to describe the transport of oxygen in a membrane with also reactive groups and analyze the experimental data collected on SBS copolymers that show attractive scavenging capacity. Furthermore, a model for predicting the oxygen barrier behavior of a film formed as a blend of OSP in a common packaging material was built, considering particles capable of reactions with oxygen embedded in a non-reactive matrix. Perfluorosulphonic acid ionomers (PFSI) are capturing attention due to a high thermal and chemical resistance coupled with very peculiar transport properties, that make them appropriate to be used in fuel cells. The possible effect of different formation procedure was studied together with the swelling due to water sorption since both water uptake and dilation can dramatically affect the fuel cells performances. The water diffusion and sorption was studied with a FTIR-ATR spectrometer that can give deeper information on the bonds between water molecules and the sulphonic hydrophilic groups and, therefore, on the microstructure of the hydrated ionomer.

Aspects of Integrability in Gauge/String Correspondence

In this thesis, we present our work about some generalisations of ideas, techniques and physical interpretations typical for integrable models to one of the most outstanding advances in theoretical physics of nowadays: the AdS/CFT correspondences. We have undertaken the problem of testing this conjectured duality under various points of view, but with a clear starting point - the integrability - and with a clear ambitious task in mind: to study the finite-size effects in the energy spectrum of certain string solutions on a side and in the anomalous dimensions of the gauge theory on the other. Of course, the final desire woul be the exact comparison between these two faces of the gauge/string duality. In few words, the original part of this work consists in application of well known integrability technologies, in large parte borrowed by the study of relativistic (1+1)-dimensional integrable quantum field theories, to the highly non-relativisic and much complicated case of the thoeries involved in the recent conjectures of AdS5/CFT4 and AdS4/CFT3 corrspondences. In details, exploiting the spin chain nature of the dilatation operator of N = 4 Super-Yang-Mills theory, we concentrated our attention on one of the most important sector, namely the SL(2) sector - which is also very intersting for the QCD understanding - by formulating a new type of nonlinear integral equation (NLIE) based on a previously guessed asymptotic Bethe Ansatz. The solutions of this Bethe Ansatz are characterised by the length L of the correspondent spin chain and by the number s of its excitations. A NLIE allows one, at least in principle, to make analytical and numerical calculations for arbitrary values of these parameters. The results have been rather exciting. In the important regime of high Lorentz spin, the NLIE clarifies how it reduces to a linear integral equations which governs the subleading order in s, o(s0). This also holds in the regime with L ! 1, L/ ln s finite (long operators case). This region of parameters has been particularly investigated in literature especially because of an intriguing limit into the O(6) sigma model defined on the string side. One of the most powerful methods to keep under control the finite-size spectrum of an integrable relativistic theory is the so called thermodynamic Bethe Ansatz (TBA). We proposed a highly non-trivial generalisation of this technique to the non-relativistic case of AdS5/CFT4 and made the first steps in order to determine its full spectrum - of energies for the AdS side, of anomalous dimensions for the CFT one - at any values of the coupling constant and of the size. At the leading order in the size parameter, the calculation of the finite-size corrections is much simpler and does not necessitate the TBA. It consists in deriving for a nonrelativistc case a method, invented for the first time by L¨uscher to compute the finite-size effects on the mass spectrum of relativisic theories. So, we have formulated a new version of this approach to adapt it to the case of recently found classical string solutions on AdS4 × CP3, inside the new conjecture of an AdS4/CFT3 correspondence. Our results in part confirm the string and algebraic curve calculations, in part are completely new and then could be better understood by the rapidly evolving developments of this extremely exciting research field.

Stability, viscous dissipation and local thermal non-equilibrium in fluid saturated porous media

In this thesis, the field of study related to the stability analysis of fluid saturated porous media is investigated. In particular the contribution of the viscous heating to the onset of convective instability in the flow through ducts is analysed. In order to evaluate the contribution of the viscous dissipation, different geometries, different models describing the balance equations and different boundary conditions are used. Moreover, the local thermal non-equilibrium model is used to study the evolution of the temperature differences between the fluid and the solid matrix in a thermal boundary layer problem. On studying the onset of instability, different techniques for eigenvalue problems has been used. Analytical solutions, asymptotic analyses and numerical solutions by means of original and commercial codes are carried out.

Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

Classical limit of the Nelson model

Since the development of quantum mechanics it has been natural to analyze the connection between classical and quantum mechanical descriptions of physical systems. In particular one should expect that in some sense when quantum mechanical effects becomes negligible the system will behave like it is dictated by classical mechanics. One famous relation between classical and quantum theory is due to Ehrenfest. This result was later developed and put on firm mathematical foundations by Hepp. He proved that matrix elements of bounded functions of quantum observables between suitable coherents states (that depend on Planck's constant h) converge to classical values evolving according to the expected classical equations when h goes to zero. His results were later generalized by Ginibre and Velo to bosonic systems with infinite degrees of freedom and scattering theory. In this thesis we study the classical limit of Nelson model, that describes non relativistic particles, whose evolution is dictated by Schrödinger equation, interacting with a scalar relativistic field, whose evolution is dictated by Klein-Gordon equation, by means of a Yukawa-type potential. The classical limit is a mean field and weak coupling limit. We proved that the transition amplitude of a creation or annihilation operator, between suitable coherent states, converges in the classical limit to the solution of the system of differential equations that describes the classical evolution of the theory. The quantum evolution operator converges to the evolution operator of fluctuations around the classical solution. Transition amplitudes of normal ordered products of creation and annihilation operators between coherent states converge to suitable products of the classical solutions. Transition amplitudes of normal ordered products of creation and annihilation operators between fixed particle states converge to an average of products of classical solutions, corresponding to different initial conditions.

Comportamento dinamico fuori del piano di pareti murarie: influenza della deformabilità degli impalcati

The aim of this study was to investigate the influence of the diaphragm flexibility on the behavior of out-of-plane walls in masonry buildings. Simplified models have been developed to perform kinematic and dynamic analyses in order to compare the response of walls with different restraint conditions. Kinematic non linear analyses of assemblages of rigid blocks have been performed to obtain the acceleration-displacement curves for walls with different restraint conditions at the top. A simplified 2DOF model has been developed to analyse the dynamic response of the wall with an elastic spring at the top, following the Housner rigid behaviour hypothesis. The dissipation of energy is concentrated at every impact at the base of the wall and is modelled through the introduction of the coefficient of restitution. The sets of equations of the possible configurations of the wall, depending on the different positions of the centre of rotation at the base and at the intermediate hinge have been obtained. An algorithm for the numerical integration of the sets of the equations of motion in the time domain has been developed. Dynamic analyses of a set of walls with Gaussian impulses and recorded accelerograms inputs have been performed in order to compare the response of the simply supported wall with the one of the wall with elastic spring at the top. The influence of diaphragm stiffness Kd has been investigated determining the variation of maximum displacement demand with the value of Kd. A more regular trend has been obtained for the Gaussian input than for the recorded accelerograms.

Studio sulla perfusione di fegato e milza in animali non convenzionali mediante ecografia e tomografia computerizzata (TC) con mezzo di contrasto

Il presente studio rappresenta la prima applicazione della tecnica CEUS in alcune delle più diffuse specie non convenzionali, nonché la prima nei rettili. In particolare è stata investigata la perfusione di fegato e milza in 10 conigli, 10 furetti e il fegato in 8 iguane. Per quanto riguarda i mammiferi, la tecnica è risultata di facile attuazione e i risultati ottenuti erano equiparabili a quelli documentati per i piccoli animali. Maggiore variabilità si è messa in evidenza a livello splenico in entrambe le specie e nel coniglio rispetto al furetto. Nelle iguane è stata necessaria una modifica del protocollo a seguito dei tempi più lunghi delle fasi di wash in e di wash out. Le curve ottenute erano caratterizzate da picchi più bassi e TTP più lunghi, con wash out incompleto anche dopo 10 minuti di indagine. Nelle iguane l’indagine del fegato è stata approfondita grazie all’esecuzione di TC dinamiche con MDC, studio pioneristico per quanto riguarda la medicina dei rettili. L’esecuzione è avvenuta senza problemi in anestesia generale. Diffusione del MDC e conseguenti variazione di HU a livello aortico e epatico sono state considerate contemporaneamente, con costruzione di curve HU-tempo piuttosto ripetibili, entrambe caratterizzate da un wash in rapido, un picco, particolarmente alto a livello aortico, e da una fase di wash out più lento, anche qui incompleto dopo i 600 secondi di indagine. Una certa variabilità è stata notata in tre individui, risultato attendibile conseguentemente alla forte dipendenza da fattori intriseci ed estrinseci del metabolismo e della funzionalità epatica dei rettili. L’intero protocollo è stato applicato in un furetto e due iguane patologiche, al fine di evidenziare le potenzialità cliniche delle tecniche. Sebbene il numero esiguo di casi non permetta di trarre conclusioni a questo riguardo, l’ultimo capitolo della tesi vuole essere uno spunto per studi futuri.