Fractal sets and their applications in medicine

La geometria euclidea risulta spesso inadeguata a descrivere le forme della natura. I Frattali, oggetti interrotti e irregolari, come indica il nome stesso, sono più adatti a rappresentare la forma frastagliata delle linee costiere o altri elementi naturali. Lo strumento necessario per studiare rigorosamente i frattali sono i teoremi riguardanti la misura di Hausdorff, con i quali possono definirsi gli s-sets, dove s è la dimensione di Hausdorff. Se s non è intero, l'insieme in gioco può riconoscersi come frattale e non presenta tangenti e densità in quasi nessun punto. I frattali più classici, come gli insiemi di Cantor, Koch e Sierpinski, presentano anche la proprietà di auto-similarità e la dimensione di similitudine viene a coincidere con quella di Hausdorff. Una tecnica basata sulla dimensione frattale, detta box-counting, interviene in applicazioni bio-mediche e risulta utile per studiare le placche senili di varie specie di mammiferi tra cui l'uomo o anche per distinguere un melanoma maligno da una diversa lesione della cute.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

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.

From data to applications in the Internet of Things

Con la crescita in complessità delle infrastrutture IT e la pervasività degli scenari di Internet of Things (IoT) emerge il bisogno di nuovi modelli computazionali basati su entità autonome capaci di portare a termine obiettivi di alto livello interagendo tra loro grazie al supporto di infrastrutture come il Fog Computing, per la vicinanza alle sorgenti dei dati, e del Cloud Computing per offrire servizi analitici complessi di back-end in grado di fornire risultati per milioni di utenti. Questi nuovi scenarii portano a ripensare il modo in cui il software viene progettato e sviluppato in una prospettiva agile. Le attività dei team di sviluppatori (Dev) dovrebbero essere strettamente legate alle attività dei team che supportano il Cloud (Ops) secondo nuove metodologie oggi note come DevOps. Tuttavia, data la mancanza di astrazioni adeguata a livello di linguaggio di programmazione, gli sviluppatori IoT sono spesso indotti a seguire approcci di sviluppo bottom-up che spesso risulta non adeguato ad affrontare la compessità delle applicazione del settore e l'eterogeneità dei compomenti software che le formano. Poichè le applicazioni monolitiche del passato appaiono difficilmente scalabili e gestibili in un ambiente Cloud con molteplici utenti, molti ritengono necessaria l'adozione di un nuovo stile architetturale, in cui un'applicazione dovrebbe essere vista come una composizione di micro-servizi, ciascuno dedicato a uno specifica funzionalità applicativa e ciascuno sotto la responsabilità di un piccolo team di sviluppatori, dall'analisi del problema al deployment e al management. Poichè al momento non si è ancora giunti a una definizione univoca e condivisa dei microservices e di altri concetti che emergono da IoT e dal Cloud, nè tantomento alla definzione di linguaggi sepcializzati per questo settore, la definzione di metamodelli custom associati alla produzione automatica del software di raccordo con le infrastrutture potrebbe aiutare un team di sviluppo ad elevare il livello di astrazione, incapsulando in una software factory aziendale i dettagli implementativi. Grazie a sistemi di produzione del sofware basati sul Model Driven Software Development (MDSD), l'approccio top-down attualmente carente può essere recuperato, permettendo di focalizzare l'attenzione sulla business logic delle applicazioni. Nella tesi viene mostrato un esempio di questo possibile approccio, partendo dall'idea che un'applicazione IoT sia in primo luogo un sistema software distribuito in cui l'interazione tra componenti attivi (modellati come attori) gioca un ruolo fondamentale.

PEDOT:PSS thin films: Applications in Bioelectronics

Owing to their capability of merging the properties of metals and conventional polymers, Conducting Polymers (CPs) are a unique class of carbon-based materials capable of conducting electrical current. A conjugated backbone is the hallmark of CPs, which can readily undergo reversible doping to different extents, thus achieving a wide range of electrical conductivities, while maintaining mechanical flexibility, transparency and high thermal stability. Thanks to these inherent versatility and attracting properties, from their discovery CPs have experienced incessant widespread in a great plethora of research fields, ranging from energy storage to healthcare, also encouraging the spring and growth of new scientific areas with highly innovative content. Nowadays, Bioelectronics stands out as one of the most promising research fields, dealing with the mutual interplay between biology and electronics. Among CPs, the polyelectrolyte complex poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), especially in the form of thin films, has been emphasized as ideal platform for bioelectronic applications. Indeed, in the last two decades PEDOT:PSS has played a key role in the sensing of bioanalytes and living cells interfacing and monitoring. In the present work, development and characterization of two kinds of PEDOT:PSS-based devices for applications in Bioelectronics are discussed in detail. In particular, a low-cost amperometric sensor for the selective detection of Dopamine in a ternary mixture was optimized, taking advantage of the electrocatalytic and antifouling properties that render PEDOT:PSS thin films appealing tools for electrochemical sensing of bioanalytes. Moreover, the potentialities of this material to interact with live cells were explored through the fabrication of a microfluidic trapping device for electrical monitoring of 3D spheroids using an impedance-based approach.

Computational characterization of carbazole-benzonitrile derivatives for applications in Organic Light Emitting Diodes

The technology of Organic Light-Emitting Diodes has reached such a high level of reliability that it can be used in various applications. The required light emission efficiency can be achieved by transforming the triplet excitons into singlet states through Reverse InterSystem Crossing (RISC), which is the main process of a general mechanism called thermally activated delayed fluorescence (TADF). In this thesis, we theoretically analyzed two carbazole-benzonitrile (donor-acceptor) derivatives, 2,5-di(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (p-2CzBN) and 2,3,4,5,6-penta(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (5CzBN), and addressed the problem of how donor-acceptor (D-A) or donor-acceptor-donor (D-A-D) flexible molecular architectures influence the nature of the excited states and the emission intensity. Furthermore, we analyzed the RISC rates as a function of the conformation of the carbazole lateral groups, considering the first electronic states, S0, S1, T1 and T2, involved in TADF process. The two prototype molecules, p-2CzBN and 5CzBN, have a similar energy gap between the first singlet and triplet states (∆EST, a key parameter in the RISC rate), but different TADF performances. Therefore, other parameters must be considered to explain their different behavior. The oscillator strength of p-2CzBN, never tested as emitter in OLEDs, is similar to that of 5CzBN, which is an active TADF molecule. We also note that the presence of a second T2 triplet state, lower in energy than S1 only in 5CzBN, and the reorganization energies, associated with RISC processes involving T1 and T2, are important factors in differentiating the rates in p-2CzBN and 5CzBN. For p-2CzBN, the RISC rate from T2 to S1 is surprisingly higher than that from T1 to S1, in disagreement with El-Sayed rules, due to a large reorganization energy associated to the T1 to S1, process; while the contrary occurs for 5CzBN. These insights are important for designing new TADF emitters based on the benzo-carbazole architecture.

Extraction of antioxidants from corn by-products for applications in bio-based polymer matrices

The objective of this dissertation is the evaluation of the exploitability of corn cobs as natural additives for bio-based polymer matrices, in order to hone their properties while keeping the fundamental quality of being fully bio-derived. The first part of the project has the purpose of finding the best solvent and conditions to extract antioxidants and anti-degrading molecules from corn cobs, exploiting room and high-temperature processes, traditional and advanced extraction methods, as well as polar and nonpolar solvents. The extracts in their entirety are then analysed to evaluate their antioxidant content, in order to select the conditions able to maximise their anti-degrading properties. The second part of the project, instead, focuses on assessing chemical and physical properties of the best-behaving extract when inserted in a polymeric matrix. To achieve this, low-density polyethylene (LDPE) and poly (butylene succinate – co – adipate) (PBSA) are employed. These samples are obtained through extrusion and are subsequently characterised exploiting the DSC equipment and a sinusoidally oscillating rheometer. In addition, extruded polymeric matrices are subjected to thermal and photo ageing, in order to identify their behaviour after different forms of degradation and to assess their performances with respect to synthetically produced anti-degrading additives.