X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

Sistema di controllo PID di temperatura con LabVIEW e scheda Arduino

Lo scopo del lavoro svolto e quello di realizzare un sistema di controllo Proporzionale-Integrativo-Derivativo (PID) della temperatura all'interno di un fornetto in una camera a vuoto. Il sistema deve essere in grado di eseguire rampe di temperatura con differenti rapidita di variazione, in vista di un suo futuro impiego nello studio del Desorbimento Termico di diversi materiali. Nella prima parte della tesi, si esaminano le premesse teoriche ai controlli Proporzionali-Integrativi-Derivativi, e sono esposti i metodi di Ziegler-Nichols e di Tyreus-Luyben per ricavare le costanti del PID. Nella seconda parte si descrivono il sistema fisico in esame e l'hardware messo a punto per il sistema di controllo, gestito interfacciandolo con una scheda Arduino. Nella terza parte viene invece trattato il software realizzato con LabVIEW per gestire e controllare l'apparato. Nella quarta parte sono infine mostrati i risultati sperimentali ottenuti, e le conclusioni tratte al termine del lavoro.

Tecniche di rilievo topografico per il monitoraggio del costruito

Il presente lavoro si riferisce ad una delle attività di monitoraggio topografico più diffuse e consolidate: il controllo altimetrico per mezzo della livellazione geometrica di precisione, finalizzato alla determinazione dei dislivelli – e della loro variazione nel tempo – tra capisaldi appositamente istituiti sulla struttura. Va ricordato infatti che in Topografia non è possibile determinare direttamente la quota assoluta di un punto, ma solamente il dislivello, ossia la differenza di quota fra punti della superficie fisica. Il caso di studio si riferisce nello specifico ad un oggetto di grandissimo interesse: le Due Torri di Bologna. La Torre degli Asinelli e la Torre Garisenda di Bologna sono infatti soggette da lungo tempo ad una attività di monitoraggio altimetrico con la tecnica della livellazione geometrica di precisione, oggi realizzata con strumentazione digitale. L’attività viene condotta dall’area di Geomatica del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali (DICAM) dell’Università di Bologna in collaborazione con il Comune di Bologna. Scopo della tesi è illustrare gli aspetti teorici alla base della tecnica della livellazione geometrica e le operazioni che sono state eseguite sul campo ed in laboratorio, in affiancamento a quanto effettuato dal DICAM con il coordinamento del Prof. G. Bitelli. Nel Capitolo 1 viene descritta la metodologia di rilevamento mediante livellazione geometrica di precisione e la tecnica di elaborazione dei dati tramite la compensazione per osservazioni indirette secondo il principio dei minimi quadrati. Nel Capitolo 2 viene presentato il caso di studio e descritto il rilievo che è stato effettuato durante il periodo della tesi. Vengono illustrate le fasi operative sul campo e la successiva fase di predisposizione dei dati per la compensazione. Infine si illustra l’elaborazione numerica realizzata per la determinazione delle quote nel sistema di riferimento locale utilizzato.

Synthesis and characterization of artificial aggregates and their potential applications in road construction

L’obiettivo del progetto è stato quello di realizzare ed analizzare aggregati artificiali creati attraverso geopolimerizzazione e macro-incapsulazione di paraffina in aggregati leggeri espansi, discutendo i loro possibili impieghi nelle pavimentazioni stradali. Dopo un'accurata calibrazione delle miscele geopolimeriche, sono stati realizzati degli aggregati artificiali, in seguito caratterizzati in accordo con la norma UNI EN 10343, con l'intento di sostituire materiali stradali vergini. Contemporaneamente, sono stati prodotti aggregati leggeri impregnati di paraffina (PCM), in grado di cambiare fase una volta raggiunti all'incirca i 3 °C, e successivamente rivestiti da due strati di resina poliestere e polvere di granito, denominati PLA: sfruttandone le proprietà termiche, si è valutato il loro possibile utilizzo come soluzione anti-icing. L’ultima fase della ricerca è stata incentrata nella realizzazione di aggregati geopolimerici espansi e molto porosi che potessero contenere una elevata quantità di PCM, sostituendo l'argilla espansa utilizzata nella produzione degli PLA.

Rinforzo di pavimentazioni stradali bituminose mediante geogriglie sintetiche

Il termine “sovrastruttura stradale” identifica l’insieme di strati legati e non legati che, partendo dal piano viabile, raggiungono la sommità del rilevato o il piano di posa, nelle sezioni in trincea. Al fine di fornire agli utenti stradali sovrastrutture in grado di sviluppare prestazioni ottimali per lunghi periodi, è necessario che esse siano manutenute utilizzando i metodi via via più consoni al tipo di dissesto che si verifica. Attraverso numerose ricerche è emerso come uno dei fattori di maggiore influenza per il degrado stradale sia da attribuire all’efficacia del collegamento fra i diversi elementi di una sovrastruttura. Gli stati tensionali che si creano all’interfaccia fra due strati adiacenti, se non contrastati adeguatamente, possono provocare effetti dannosi come l’insorgere di fessurazioni ed il distacco fra gli strati. Per contrastare tali fenomeni, si è sviluppata la tecnica di inserire uno strato di rinforzo all’interno della sovrastruttura costituito da materiali metallici o sintetici anche nell’ambito delle costruzioni stradali. La ricerca effettuata in questo elaborato prevede lo studio del collegamento fra gli strati superficiali di una sovrastruttura flessibile rinforzata con geogriglie in fibra di vetro, mediante prove sperimentali condotte con apparecchiatura Leutner. Tale metodologia di prova è utilizzata per valutare la resistenza a taglio all’interfaccia fra i vari strati che compongono la pavimentazione. I campioni di prova sono stati estratti tramite carotatura da una pavimentazione esistente. Come ulteriore indagine, con gli stessi conglomerati sono stati creati nuovi campioni doppio strato mediante compattazione in pressa giratoria. Si è poi ripetuta la prova Leutner, per valutare la possibile variazione dei risultati ottenuti in precedenza e, in tale caso, studiare l’influenza della compattazione sulla resistenza a taglio presente all’interfaccia fra i due strati.

Strength development of single beech wood veneers considering different climate conditions

La tesi di laurea è stata svolta presso l’Università di Scienze Applicate di Rosenheim, in Germania; il progetto di ricerca si basa sulla tecnica di rinforzo conosciuta come “Soil Nailing”, che consiste nella costruzione di un’opera di sostegno nella realizzazione di pareti di scavo o nel consolidamento di versanti instabili. L’obiettivo principale dell’elaborato sarà quello di valutare la fattibilità dell’impiego di tubi fabbricati con legno di faggio, in sostituzione dei chiodi d’acciaio comunemente utilizzati; la scelta di questo tipo di legno è dettata dalla larga disponibilità presente in Germania. La sollecitazione principale su tali tubi sarà di trazione parallela alla fibratura, tramite test sperimentali è stato possibile valutare tale resistenza nelle diverse condizioni in cui si verrà a trovare il tubo dopo l’installazione nel terreno. A tal proposito è necessario specificare che, l’indagine per risalire all’influenza che le condizioni ambientali esercitano sull’elemento, verrà condotta su provini costituiti da un singolo strato di legno; in tal modo si può apprezzare l’influenza direttamente sull’elemento base e poi risalire al comportamento globale. I dati ottenuti dall’indagine sperimentale sono stati elaborati tramite la teoria di Weibull, largamente utilizzata in tecnologia dei materiali per quanto riguarda materiali fragili come il legno; tali distribuzioni hanno permesso la determinazione della resistenza caratteristica dei provini per ogni condizione ambientale d’interesse. Per quanto riguarda la valutazione della fattibilità dell’uso di tubi in legno in questa tecnica di consolidamento, è stato eseguito il dimensionamento del tubo, utilizzando i dati a disposizione ottenuti dall’indagine sperimentale eseguita; ed infine sono state eseguite le verifiche di stabilità dell’intervento.

Grafene: proprietà, sintesi e trasferimento con il ciclododecano

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio, isolato per la prima volta nel 2004 da due fisici che per questo risultato vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene possiede proprietà chimiche e fisiche superiori, quali un’elevata resistenza chimica e meccanica e un’eccellente conducibilità termica ed elettrica. Inoltre possiede altre due caratteristiche che lo rendono particolarmente promettente in diversi ambiti applicativi: leggerezza e trasparenza ottica. In questo elaborato ho descritto le attività svolte seguendo le ricerche che vengono svolte al CNR-IMM di Bologna, dove questo materiale viene prodotto tramite la tecnica di Chemical Vapor Deposition e studiato per l’integrazione in dispositivi elettronici ed elettro-meccanici innovativi. Durante la mia esperienza di laboratorio all’IMM ho seguito i procedimenti che portano al trasferimento del grafene sintetizzato su substrati catalitici di rame sui substrati finali per la successiva integrazione nella tecnologia del silicio. Nell’elaborato vengono da prima descritte la struttura cristallina ed elettronica e successivamente presentate alcune proprietà di cui gode e messe in relazione con i materiali attualmente in uso. Segue una breve trattazione bibliografica di alcune delle principali tecniche di produzione del grafene, trattando più nel dettaglio la tecnica CVD attualmente in uso per la sintesi di grafene all’interno dei laboratori del CNR-IMM di Bologna. La parte principale di questa esperienza di laboratorio è stato di seguire in prima persona le attuali ricerche del gruppo di lavoro per la messa a punto di un metodo alternativo che utilizza il ciclododecano per il trasferimento del grafene sintetizzato su rame al posto del classico strato sacrificale polimerico di PMMA. Nell’elaborato il confronto tra le due tecniche viene eseguito confrontando i risultati del trasferimento analizzando la morfologia dei campioni finali con tecniche di microscopia elettronica in scansione

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Characterization of moisture susceptibility of asphaltic bitumen

La ricerca riguarda lo studio delle modifiche indotte dalla diffusione di acqua e umidità nelle pavimentazioni stradali con riferimento ai materiali bituminosi. Lo scopo è stato quello di analizzare le implicazioni che si sviluppano a livello chimico e reologico in vari bitumi. In questo progetto oltre alla fase sperimentale, è stato utilizzato un software per la simulazione agli elementi finiti. Per quanto concerne la fase di laboratorio, è stato sviluppato un nuovo protocollo di condizionamento. Tre diversi bitumi sono stati soggetti alla diffusione di acqua in forma liquida o vapore, a determinate condizioni ambientali e per svariati intervalli temporali. Grazie a l’utilizzo di due camere climatiche il condizionamento è stato realizzato in modo uniforme a precisi valori temperatura e umidità mantenuti stabili. I materiali analizzati: un bitume soft, uno hard, ed infine uno modificato con l’aggiunta di polimeri. Il dispositivo FTIR-ATR è stato utilizzato per la caratterizzazione chimica, mentre il comportamento reologico è stato analizzato tramite test eseguiti con il DSR. Le avanzate tecnologie presenti nel laboratorio della TU Delft hanno consentito di ottenere notevoli risultati. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di evidenziare i diversi cambiamenti indotti dalla diffusione di acqua liquida o vapore e per analizzare l’influenza della temperatura, del tipo del bitume e dell’incremento del tempo di condizionamento. Una analisi analoga è stata condotta parallelamente, con lo scopo di investigare la correlazione tra il processo di invecchiamento e la diffusione di umidità. Infine, la simulazione agli elementi finiti è stata sviluppata tramite il software CAPA-3D per analizzare il comportamento del bitume in periodi più estesi di diffusione di umidità. Inoltre, il comportamento dei bitumi è stato studiato anche in presenza di particelle di riempitivo. Particelle granitiche e calcaree sono state aggiunte ai bitumi in differenti percentuali.

Studio teorico e numerico delle tecniche di sopraelevazione di edifici esistenti con strutture in legno tipo xlam

In questo elaborato si affronta lo studio della tecnica di sopraelevazione di edifici esistenti in muratura con strutture in legno di tipo XLAM. Le sopraelevazioni, sebbene non siano una tipologia di intervento ancora così diffusa in Italia, offrono numerosi vantaggi e, in tale contesto, le caratteristiche del legno si prestano perfettamente a rendere vantaggioso e pratico questo sistema costruttivo. Partendo dall’analisi delle diverse caratteristiche e proprietà meccaniche che contraddistinguono la muratura e il legno, viene trattata l’interazione tra i due materiali all’interno della medesima struttura, concentrandosi sulla corretta progettazione degli elementi di collegamento. Vengono creati una serie di modelli agli elementi finiti per riprodurre il comportamento di un edificio esistente in muratura allo stato di fatto e a seguito degli interventi di sopraelevazione, analizzando le sollecitazioni che la parte di struttura sopraelevata genera sulla sottostruttura. Lo studio prevede la variazione dell’input sismico, prendendo in considerazione diversi valori di accelerazione di picco (da 0,35g a 0,05g). Particolare attenzione viene riservata per i collegamenti metallici tra sopraelevazione lignea e sottostruttura in muratura. Si propongono due diverse tecniche di sopraelevazione in XLAM: a parete unica e a pareti separate.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

Caratterizzazione flessionale del rinforzo di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici

Uno degli aspetti fondamentali della circolazione stradale è rappresentato dalla conservazione della qualità, in termini di comfort e sicurezza trasmessa all’utente, della sovrastruttura stradale. L’obiettivo della manutenzione stradale è di garantire un livello soddisfacente delle caratteristiche funzionali lungo tutto l’arco della vita utile dell’infrastruttura. Le ridotte disponibilità economiche di enti ed amministrazioni pubbliche, spingono i ricercatori ed i tecnici del settore ad individuare soluzioni tecniche e progettuali, in grado di coniugare economicità e durabilità degli interventi. Negli ultimi decenni, si è cercato di studiare l’effetto prodotto dall’eventuale inserimento di un interstrato di rinforzo all’interno della sovrastruttura. Lo studio, sviluppato e descritto nel presente documento, ha l’obiettivo di migliorare la comprensione dell’effettivo contributo che i materiali di rinforzo possono produrre all’interno degli strati legati di una pavimentazione flessibile. Gli obiettivi dell’indagine sperimentale, descritta nel presente documento, possono essere sintetizzati in tre punti fondamentali: - caratterizzazione flessionale di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici, in particolare lo scopo dell’indagine verte a quantificare il miglioramento del comportamento meccanico della pavimentazione dotata di rinforzo; - analisi del comportamento a fessurazione della pavimentazione, rinforzata e non, con particolare attenzione nei confronti del reflective cracking; - valutazione del collegamento tra i due strati bituminosi in presenza di interstrato sintetico. Per raggiungere tali obiettivi sono state eseguite due serie di prove di flessione su 3 punti (3PB) e prove di taglio Leutner.

Studio di conglomerati bituminosi drenanti contenenti polverino di gomma da Pneumatici Fuori Uso (PFU)

Gli odierni sviluppi delle reti stradali nel territorio italiano e l’aumento della propensione all’utilizzo del veicolo hanno portato ad una continua ricerca nello stesso ambito volta sì a mantenere alti i livelli prestazionali e di sicurezza sulla rete stradale ma anche ad aprirsi ad uno scenario ecosostenibile, dato il continuo scarseggiare di materie prime per proseguire con le usuali tecniche di produzione. In tutti i campi riguardanti l’ambito delle costruzioni civili, che siano esse strutturali o infrastrutturali, numerose sono state le tecnologie introdotte per la realizzazione di materiali sostenibili ma anche e soprattutto il recupero di materiale di scarto, andando così incontro oltre che a una costruzione sostenibile anche ad un recupero di ciò che sarebbe destinato a discariche, ufficiali o abusive che siano. Nell’ottica dell’introduzione di “nuovi” materiali una posizione di rispetto interessa gli Pneumatici Fuori Uso (PFU) il cui recupero sotto forma di granulato e di polverino in gomma costituiscono, nell’ambito delle pavimentazioni stradali, una notevole opportunità di riutilizzo all’interno dei conglomerati bituminosi. Il presente lavoro sperimentale è stato svolto nell’ottica di analizzare dapprima le caratteristiche delle pavimentazioni drenanti, del polverino di gomma da PFU e dell’interazione tra i due, a supporto delle sperimentazioni effettuate sulle miscele realizzate in laboratorio. In particolare, sfruttando la tecnologia dry, che permette l’inserimento del polverino nella fase di miscelazione degli aggregati, dopo un’attenta analisi preliminare della composizione delle miscele da realizzare e il successivo confezionamento dei provini e loro addensamento, si è proceduto all’esecuzione di diverse prove al termine delle quali sono state analizzate le differenze meccaniche e reologiche tra miscele ottenute con aggiunta di polverino e miscele prive di PFU.

Sintesi di nanoparticelle composite con morfologia avanzata mediante condensazione in atmosfera inerte o reattiva

Uno dei concetti chiave dell'impiego della nanotecnologia è quello dell'ingegnerizzazione dei materiali alla nano-scala. Si procede così alla realizzazione di materiali aventi morfologia, struttura e composizione ottimizzate per migliorarne specifiche proprietà in maniera controllata. In questo lavoro sono stati realizzati campioni nanoparticellari a base di magnesio con la tecnica (R-)IGC (Reactive or Inert Gas Condensation) allo scopo di studiare come l'atmosfera nella quale vengono sintetizzati ne influenzi le proprietà morfologiche e strutturali, al fine di poterne controllare la crescita per impieghi specifici. In particolare, si sono voluti analizzare i risultati ottenuti in diverse situazioni: nel caso in cui la sintesi avvenga in un'atmosfera contenente una piccola concentrazione di ossigeno e nel caso della coevaporazione di magnesio e titanio in atmosfera inerte o contenente idrogeno. I campioni sono poi stati analizzati dal punto di vista morfologico, composizionale e strutturale mediante microscopia a scansione elettronica e diffrazione a raggi X. E' stato mostrato che la presenza controllata di ossigeno durante la sintesi permette di realizzare strutture core-shell di dimensione media 40nm e che la co-evaporazione di magnesio e titanio permette la sintesi di nanoparticelle di dimensioni medie anche inferiori ai 12nm. La presenza di idrogeno durante l'evaporazione permette inoltre di crescere nanoparticelle contenenti idruro di titanio senza dover ricorrere ad una idrurazione successiva. Le proprietà termodinamiche e cinetiche di (de)-idrurazione dei campioni sintetizzati sono state misurate utilizzando sia un apparato barometrico Sievert, sia effettuando un'analisi direttamente nel sito di crescita. I campioni realizzati non mostrano una termodinamica significativamente diversa da quella del magnesio bulk, mentre le cinetiche dei processi di assorbimento e desorbimento risultano notevolmente più rapide.