Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

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.

Ricerca ed applicazione di nuovi metodi di progettazione meccanica e di industrial design

The present dissertation relates to methodologies and technics about industrial and mechanical design. The author intends to give a complete idea about the world of design, showing the theories of Quality Function Deployment and TRIZ, of other methods just like planning, budgeting, Value Analysis and Engineering, Concurrent Engineering, Design for Assembly and Manufactoring, etc., and their applications to five concrete cases. In these cases there are also illustrated design technics as CAD, CAS, CAM; Rendering, which are ways to transform an idea into reality. The most important object of the work is, however, the birth of a new methodology, coming up from a comparison between QFD and TRIZ and their integration through other methodologies, just like Time and Cost Analysis, learned and skilled during an important experience in a very famous Italian automotive factory.

Modellizzazione bioeconomica per la gestione dei piccoli pelagici nel Mar Adriatico

Stocks’ overexploitation and socio-economic sustainability are two major issues currently at stake in European fisheries. In this view the European Commission is considering the implementation of management plans as a means to move towards a longer-term perspective on fisheries management, to consider regional differences and to increase stakeholder involvement. Adriatic small pelagic species (anchovies and sardines) are some of the most studied species in the world from a biologic perspective; several economic analysis have also been realised on Italian pelagic fishery; despite that, no complete bioeconomic modelization has been carried out yet considering all biologic, technical and economic issues. Bioeconomic models cannot be considered foolproof tools but are important implements to help decision makers and can supply a fundamental scientific basis for management plans. This research gathers all available information (from biologic, technologic and economic perspectives) in order to carry out a bioeconomic model of the Adriatic pelagic fishery. Different approaches are analyzed and some of them developed to highlight potential divergences in results, characteristics and implications. Growth, production and demand functions are estimated. A formal analysis about interaction and competition between Italian and Croatian fleet is examined proposing different equilibriums for open access, duopoly and a form of cooperative solution. Anyway normative judgments are limited because of poor knowledge of population dynamics and data related to the Croatian fleet.

Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Vendemmia meccanica: aspettative, problematiche e risposte sperimentali

Lo vendemmia meccanica incontra ancora resistenze legate al timore di peggiorare la qualità del prodotto e di avere elevate perdite di raccolta. In questo contesto sono state effettuate quattro prove sperimentali, finalizzate a definire le interazioni macchina, pianta e prodotto raccolto e a valutare nuove possibilità di regolazione delle vendemmiatrici e di gestione del prodotto raccolto. Le prime due sono state realizzate con vendemmiatrici a scuotimento orizzontale e verticale. L’obiettivo è stato quello di individuare l’influenza della frequenza del battitore sull’efficienza di raccolta e sulla qualità del prodotto e di verificare il maltrattamento provocato dagli organi di intercettazione e trasporto della vendemmiatrice. I risultati hanno dimostrato l’importanza della corretta regolazione del battitore delle vendemmiatrici a scuotimento orizzontale che operano direttamente sulla fascia produttiva del vigneto. Questa regolazione risulta più semplice sulle macchine a scuotimento verticale che agiscono indirettamente sui fili di sostegno delle doppie cortine. La misura delle sollecitazioni all’interno della macchina ha evidenziato valori anche elevati, pericolosi per l’integrità del prodotto raccolto, legati alla differente costruzione degli organi d’intercettazione e trasporto. La terza prova ha valutato l’efficacia di due nuovi accessori per le vendemmiatrici: la regolazione dell’ampiezza del battitore e un sensore per misurare in continuo il grado di ammostamento provocato. I risultati hanno dimostrato la loro validità per migliorare le prestazioni operative delle vendemmiatrici e per fornire agli operatori uno strumento di controllo in tempo reale sulla qualità della raccolta. Infine, considerando che le vendemmiatrici producono sempre un ammostamento dell’uva, abbiamo verificato un sistema innovativo che permette di anticipare la protezione del mosto libero già durante il trasporto dal campo. Il sistema si è dimostrato semplice, efficace ed economico. Queste esperienze hanno dimostrano che la vendemmia meccanica, se correttamente gestita, permette di ottenere ottimi risultati sotto il profilo qualitativo, tecnologico ed economico.

Sviluppo di un approccio congiunto fuzzy-Bayesiano per l'analisi e la modellizzazione degli ecosistemi: applicazione ad ecosistemi marini costieri.

Nell’attuale contesto di aumento degli impatti antropici e di “Global Climate Change” emerge la necessità di comprenderne i possibili effetti di questi sugli ecosistemi inquadrati come fruitori di servizi e funzioni imprescindibili sui quali si basano intere tessiture economiche e sociali. Lo studio previsionale degli ecosistemi si scontra con l’elevata complessità di questi ultimi in luogo di una altrettanto elevata scarsità di osservazioni integrate. L’approccio modellistico appare il più adatto all’analisi delle dinamiche complesse degli ecosistemi ed alla contestualizzazione complessa di risultati sperimentali ed osservazioni empiriche. L’approccio riduzionista-deterministico solitamente utilizzato nell’implementazione di modelli non si è però sin qui dimostrato in grado di raggiungere i livelli di complessità più elevati all’interno della struttura eco sistemica. La componente che meglio descrive la complessità ecosistemica è quella biotica in virtù dell’elevata dipendenza dalle altre componenti e dalle loro interazioni. In questo lavoro di tesi viene proposto un approccio modellistico stocastico basato sull’utilizzo di un compilatore naive Bayes operante in ambiente fuzzy. L’utilizzo congiunto di logica fuzzy e approccio naive Bayes è utile al processa mento del livello di complessità e conseguentemente incertezza insito negli ecosistemi. I modelli generativi ottenuti, chiamati Fuzzy Bayesian Ecological Model(FBEM) appaiono in grado di modellizare gli stati eco sistemici in funzione dell’ elevato numero di interazioni che entrano in gioco nella determinazione degli stati degli ecosistemi. Modelli FBEM sono stati utilizzati per comprendere il rischio ambientale per habitat intertidale di spiagge sabbiose in caso di eventi di flooding costiero previsti nell’arco di tempo 2010-2100. L’applicazione è stata effettuata all’interno del progetto EU “Theseus” per il quale i modelli FBEM sono stati utilizzati anche per una simulazione a lungo termine e per il calcolo dei tipping point specifici dell’habitat secondo eventi di flooding di diversa intensità.

Sviluppo e caratterizzazione microstrutturale e meccanica di leghe innovative di magnesio

Le attività di ricerca svolte nel corso del dottorato di ricerca, sono state focalizzate principalmente sullo studio dell’evoluzione microstrutturale, delle proprietà meccaniche e tribologiche di una particolare lega da fonderia, EV31A, con alte percentuali di terre rare (Nd e Gd > 4% in peso). Le analisi microstrutturali sono state eseguite tramite microscopia ottica (OM), elettronica in scansione (SEM) ed elettronica in trasmissione (TEM), mentre le proprietà meccaniche sono state determinate attraverso prove di trazione e prove di fatica a flessione rotante. Al fine di incrementare le proprietà tribologiche delle leghe di magnesio è stata valutata l’efficacia del trattamento PEO sia sulla lega EV31A, sia sulle più comuni leghe AZ80 e AZ91D, effettuando test tribologici in modalità pattino su cilindro (Block on Ring). Infine è stato condotto uno studio sull’efficacia del trattamento di fusione superficiale laser (LSM), analizzandone gli effetti sia sull’evoluzione microstrutturale, sia sulle proprietà meccaniche e sulla resistenza a corrosione. Le attività svolte nel corso del dottorato di ricerca sono state svolte presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale DIN della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sotto la supervisione della Prof. ssa Lorella Ceschini.

Low codimensional intrinsic regular submanifolds in the Heisenberg group H^n

The thesis mainly concerns the study of intrinsically regular submanifolds of low codimension in the Heisenberg group H^n, called H-regular surfaces of low codimension, from the point of view of geometric measure theory. We consider an H-regular surface of H^n of codimension k, with k between 1 and n, parametrized by a uniformly intrinsically differentiable map acting between two homogeneous complementary subgroups of H^n, with target subgroup horizontal of dimension k. In particular the considered submanifold is the intrinsic graph of the parametrization. We extend various results of Ambrosio, Serra Cassano and Vittone, available for the case when k = 1. We prove that the uniform intrinsic differentiability of the parametrizing map is equivalent to the existence and continuity of its intrinsic differential, to the local existence of a suitable approximating family of Euclidean regular maps, and, when the domain and the codomain of the map are orthogonal, to the existence and continuity of suitably defined intrinsic partial derivatives of the function. Successively, we present a series of area formulas, proved in collaboration with V. Magnani. They allow to compute the (2n+2−k)-dimensional spherical Hausdorff measure and the (2n+2−k)-dimensional centered Hausdorff measure of the parametrized H-regular surface, with respect to any homogeneous distance fixed on H^n. Furthermore, we focus on (G,M)-regular sets of G, where G and M are two arbitrary Carnot groups. Suitable implicit function theorems ensure the local existence of an intrinsic parametrization of such a set, at any of its points. We prove that it is uniformly intrinsically differentiable. Finally, we prove a coarea-type inequality for a continuously Pansu differentiable function acting between two Carnot groups endowed with homogeneous distances. We assume that the level sets of the function are uniformly lower Ahlfors regular and that the Pansu differential is everywhere surjective.

Galaxy cluster cosmology in KiDS, Planck, and Euclid surveys

In this Thesis, we present a series of works that encompass the fundamental steps of cosmological analyses based on galaxy clusters, spanning from mass calibration to deriving cosmological constraints through counts and clustering. Firstly, we focus on the 3D two-point correlation function (2PCF) of the galaxy cluster sample by Planck Collaboration XXVII (2016). The masses of these clusters are expected to be underestimated, as they are derived from a scaling relation calibrated through X-ray observations. We derived a mass bias which disagrees with simulation predictions, consistent with what derived by Planck Collaboration VI (2020). Furthermore, in this Thesis we analyse the cluster counts and 2PCF, respectively, of the photometric galaxy cluster sample developed by Maturi et al. (2019), based on the third data release of KiDS (KiDS-DR3, de Jong et al. 2017). We derived constraints on fundamental cosmological parameters which are consistent and competitive, in terms of uncertainties, with other state-of-the-art cosmological analyses. Then, we introduce a novel approach to establish galaxy colour-redshift relations for cluster weak-lensing analyses, regardless of the specific photometric bands in use. This method optimises the selection completeness of cluster background galaxies while maintaining a defined purity threshold. Based on the galaxy sample by Bisigello et al. (2020), we calibrated two colour selections, one relying on the ground-based griz bands, and the other including the griz and Euclid YJH bands. In addition, we present the preliminary work on the weak-lensing mass calibration of the clusters detected by Maturi et al. (in prep.) in the fourth data release of KiDS (KiDS-1000, Kuijken et al. 2019). This mass calibration will enable the cosmological analyses based on cluster counts and clustering, from which we expect remarkable improvements in the results compared to those derived in KiDS-DR3.

La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.