High-Speed Laser Processing of Thin Single and Multi-Layer Films

Theoretical models are developed for the continuous-wave and pulsed laser incision and cut of thin single and multi-layer films. A one-dimensional steady-state model establishes the theoretical foundations of the problem by combining a power-balance integral with heat flow in the direction of laser motion. In this approach, classical modelling methods for laser processing are extended by introducing multi-layer optical absorption and thermal properties. The calculation domain is consequently divided in correspondence with the progressive removal of individual layers. A second, time-domain numerical model for the short-pulse laser ablation of metals accounts for changes in optical and thermal properties during a single laser pulse. With sufficient fluence, the target surface is heated towards its critical temperature and homogeneous boiling or "phase explosion" takes place. Improvements are seen over previous works with the more accurate calculation of optical absorption and shielding of the incident beam by the ablation products. A third, general time-domain numerical laser processing model combines ablation depth and energy absorption data from the short-pulse model with two-dimensional heat flow in an arbitrary multi-layer structure. Layer removal is the result of both progressive short-pulse ablation and classical vaporisation due to long-term heating of the sample. At low velocity, pulsed laser exposure of multi-layer films comprising aluminium-plastic and aluminium-paper are found to be characterised by short-pulse ablation of the metallic layer and vaporisation or degradation of the others due to thermal conduction from the former. At high velocity, all layers of the two films are ultimately removed by vaporisation or degradation as the average beam power is increased to achieve a complete cut. The transition velocity between the two characteristic removal types is shown to be a function of the pulse repetition rate. An experimental investigation validates the simulation results and provides new laser processing data for some typical packaging materials.

Dati geochimici ed ecologici di foraminiferi planctonici. Implicazioni paleoceanografiche in due aree chiave: Oceano Meridionale e Mare Mediterraneo.

La studio della distribuzione spaziale e temporale della associazioni a foraminiferi planctonici, campionati in zone con differente regime idrografico, ha permesso di comprendere che molte specie possono essere diagnostiche della presenza di diverse masse d’acqua superficiali e sottosuperficiali e di diversi regimi di nutrienti nelle acque oceaniche. Parte di questo lavoro di tesi si basa sullo studio delle associazioni a foraminiferi planctonici attualmente viventi nel Settore Pacifico dell’Oceano Meridionale (Mare di Ross e Zona del Fronte Polare) e nel Mare Mediterraneo (Mar Tirreno Meridionale). L’obiettivo di questo studio è quello di comprendere i fattori (temperatura, salinità, nutrienti etc.) che determinano la distribuzione attuale delle diverse specie al fine di valutarne il valore di “indicatori” (proxies) utili alla ricostruzione degli scenari paleoclimatici e paleoceanografici succedutisi in queste aree. I risultati documentano che la distribuzione delle diverse specie, il numero di individui e le variazioni nella morfologia di alcuni taxa sono correlate alle caratteristiche chimico-fisiche della colonna e alla disponibilità di nutrienti e di clorofilla. La seconda parte del lavoro di tesi ha previsto l’analisi degli isotopi stabili dell’ossigeno e del rapporto Mg/Ca in gusci di N. pachyderma (sin) prelevati da pescate di micro zooplancton (per tarare l’equazione di paleo temperatura) da un box core e da una carota provenienti dalla zona del Fronte Polare (Oceano Pacifico meridionale), al fine di ricostruire le variazioni di temperatura negli ultimi 13 ka e durante la Mid-Pleistocene Revolution. Le temperature, dedotte tramite i valori degli isotopi stabili dell’ossigeno, sono coerenti con le temperature attuali documentate in questa zona e il trend di temperatura è paragonabile a quelli riportati in letteratura anche per eventi climatici come lo Younger Dryas e il mid-Holocene Optimum. I valori del rapporto Mg/Ca misurato tramite due diverse tecniche di analisi (laser ablation e analisi in soluzione) sono risultati sempre molto più alti dei valori riportati in letteratura per la stessa specie. La laser ablation sembra carente dal punto di vista del cleaning del campione e da questo studio emerge che le due tecniche non sono comparabili e che non possono essere usate indifferentemente sullo stesso campione. Per quanto riguarda l’analisi dei campioni in soluzione è stato migliorato il protocollo di cleaning per il trattamento di campioni antartici, che ha permesso di ottenere valori veritieri e utili ai fini delle ricostruzioni di paleotemperatura. Tuttavia, rimane verosimile l’ipotesi che in ambienti particolari come questo, con salinità e temperature molto basse, l’incorporazione del Mg all’interno del guscio risenta delle condizioni particolari e che non segua quindi la relazione esponenziale con la temperatura ampiamente dimostrata ad altre latitudini.

Coupling instrumentation and methodology in the search for traces of life on the early Earth and Mars

Evaluating the nature of the earliest, often controversial, traces of life in the geological record (dating to the Palaeoarchaean, up to ~3.5 billion years before the present) is of fundamental relevance for placing constraints on the potential that life emerged on Mars at approximately the same time (the Noachian period). In their earliest histories, the two planets shared many palaeoenvironmental similarities, before the surface of Mars rapidly became inhospitable to life as we know it. Multi-scalar, multi-modal analyses of fossiliferous rocks from the Barberton greenstone belt of South Africa and the East Pilbara terrane of Western Australia are a window onto primitive prokaryotic ecoystems. Complementary petrographic, morphological, (bio)geochemical and nanostructural analyses of chert horizons and the carbonaceous material within using a wide range of techniques – including optical microscopy, SEM-EDS, Raman spectroscopy, PIXE, µCT, laser ablation ICP-MS, high-resolution TEM-based analytical techniques and secondary ion mass spectrometry – can characterise, at scales from macroscopic to nanoscopic, the fossilised biomes of the earliest Earth. These approaches enable the definition of the palaeoenvironments, and potentially metabolic networks, preserved in ancient rocks. Modifying these protocols is necessary for Martian exploration using rovers, since the range and power of space instrumentation is significantly reduced relative to terrestrial laboratories. Understanding the crucial observations possible using highly complementary rover-based payloads is therefore critical in scientific protocols aiming to detect traces of life on Mars.

Development of new immunochemical and spectroscopic analytical methods for the characterization and conservation of works of art

Cultural heritage is constituted by complex and heterogenous materials, such as paintings but also ancient remains. However, all ancient materials are exposed to external environment and their interaction produces different changes due to chemical, physical and biological phenomena. The organic fraction, especially the proteinaceous one, has a crucial role in all these materials: in archaeology proteins reveal human habits, in artworks they disclose technics and help for a correct restoration. For these reasons the development of methods that allow the preservation of the sample as much as possible and a deeper knowledge of the deterioration processes is fundamental. The research activities presented in this PhD thesis have been focused on the development of new immunochemical and spectroscopic approaches in order to detect and identify organic substances in artistic and archaeological samples. Organic components could be present in different cultural heritage materials as constituent element (e.g., binders in paintings, collagen in bones) and their knowledge is fundamental for a complete understanding of past life, degradation processes and appropriate restauration approaches. The combination of immunological approach with a chemiluminescence detection and Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry allowed a sensitive and selective localization of collagen and elements in ancient bones and teeth. Near-infrared spectrometer and hyper spectral imaging have been applied in combination with chemometric data analysis as non-destructive methods for bones prescreening for the localization of collagen. Moreover, an investigation of amino acids in enamel has been proposed, in order to clarify teeth biomolecules survival overtime through the optimization and application of High-Performance Liquid Chromatography on modern and ancient enamel powder. New portable biosensors were developed for ovalbumin identification in paintings, thanks to the combination between biocompatible Gellan gel and electro-immunochemical sensors, to extract and identify painting binders with the contact only between gel and painting and between gel and electrodes.

Dove il DNA antico tace: studio della 'life history' individuale nelle popolazioni umane del passato tramite analisi istologica e biogeochimica ad alta risoluzione di tessuti dentali mineralizzati da contesti archeologici e paleontologici umani

Questa tesi mira a presentare una panoramica, anche sperimentale con dati editi ed inediti, della ricostruzione delle life histories umane mediante metodi istologici e biogeochimici applicati allo smalto dentale delle dentizioni decidue. La tesi si concentra sulle metodologie biogeochimiche ad alta risoluzione spaziale che consentono di ottenere livelli temporali di dettaglio senza precedenti (da stagionali fino a sub-settimanali), quando combinate con l'analisi istomorfometrica dei tessuti dentali mineralizzati. La presente ricerca si concentra sulla creazione di modelli consistenti di variazione delle concentrazioni di elementi in traccia (con particolare riferimento a stronzio e bario) lungo la giunzione smalto dentinale, ottenuti tramite LA-ICPMS (Laser Ablation Inductively Coupled Mass Spectrometry), in funzione dei cambiamenti nella dieta (allattamento, svezzamento) nel primo anno di età di individui a storia nutrizionale nota (utilizzando denti decidui naturalmente esfoliati). In una prospettiva bioarcheologica, i risultati delle indagini sulla dieta altamente risolte nel tempo e interpretate con modelli come quelli proposti si correlano direttamente alle life histories individuali e consentono una analisi più sfumata e completa del comportamento umano nel passato, fornendo informazioni essenziali per la comprensione degli adattamenti bioculturali e aprendo finestre conoscitive su aspetti quali il rapporto madre-progenie, la gravidanza, l’allattamento, lo stress infantile, la dieta sia della progenie che della madre, la mobilità ad alta risoluzione e molti altri aspetti della vita delle popolazioni del passato che lo studio del DNA antico e della morfologia scheletrica non possono fornire. Dove il DNA antico tace, lo studio avanzato delle life histories parla.