Mixing-cell boundary conditions and apparent mass balance errors for advective-dispersive solute transport

In many field or laboratory situations, well-mixed reservoirs like, for instance, injection or detection wells and gas distribution or sampling chambers define boundaries of transport domains. Exchange of solutes or gases across such boundaries can occur through advective or diffusive processes. First we analyzed situations, where the inlet region consists of a well-mixed reservoir, in a systematic way by interpreting them in terms of injection type. Second, we discussed the mass balance errors that seem to appear in case of resident injections. Mixing cells (MC) can be coupled mathematically in different ways to a domain where advective-dispersive transport occurs: by assuming a continuous solute flux at the interface (flux injection, MC-FI), or by assuming a continuous resident concentration (resident injection). In the latter case, the flux leaving the mixing cell can be defined in two ways: either as the value when the interface is approached from the mixing-cell side (MC-RT -), or as the value when it is approached from the column side (MC-RT +). Solutions of these injection types with constant or-in one case-distance-dependent transport parameters were compared to each other as well as to a solution of a two-layer system, where the first layer was characterized by a large dispersion coefficient. These solutions differ mainly at small Peclet numbers. For most real situations, the model for resident injection MC-RI + is considered to be relevant. This type of injection was modeled with a constant or with an exponentially varying dispersion coefficient within the porous medium. A constant dispersion coefficient will be appropriate for gases because of the Eulerian nature of the usually dominating gaseous diffusion coefficient, whereas the asymptotically growing dispersion coefficient will be more appropriate for solutes due to the Lagrangian nature of mechanical dispersion, which evolves only with the fluid flow. Assuming a continuous resident concentration at the interface between a mixing cell and a column, as in case of the MC-RI + model, entails a flux discontinuity. This flux discontinuity arises inherently from the definition of a mixing cell: the mixing process is included in the balance equation, but does not appear in the description of the flux through the mixing cell. There, only convection appears because of the homogeneous concentration within the mixing cell. Thus, the solute flux through a mixing cell in close contact with a transport domain is generally underestimated. This leads to (apparent) mass balance errors, which are often reported for similar situations and erroneously used to judge the validity of such models. Finally, the mixing cell model MC-RI + defines a universal basis regarding the type of solute injection at a boundary. Depending on the mixing cell parameters, it represents, in its limits, flux as well as resident injections. (C) 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Cell force measurements in 3D microfabricated environments based on compliant cantilevers.

We report the fabrication, functionalization and testing of microdevices for cell culture and cell traction force measurements in three-dimensions (3D). The devices are composed of bent cantilevers patterned with cell-adhesive spots not lying on the same plane, and thus suspending cells in 3D. The cantilevers are soft enough to undergo micrometric deflections when cells pull on them, allowing cell forces to be measured by means of optical microscopy. Since individual cantilevers are mechanically independent of each other, cell traction forces are determined directly from cantilever deflections. This proves the potential of these new devices as a tool for the quantification of cell mechanics in a system with well-defined 3D geometry and mechanical properties.

Interhemispheric cerebral blood flow balance during recovery of motor hand function after ischemic stroke - a longitudinal MRI study using arterial spin labeling perfusion

BACKGROUND Unilateral ischemic stroke disrupts the well balanced interactions within bilateral cortical networks. Restitution of interhemispheric balance is thought to contribute to post-stroke recovery. Longitudinal measurements of cerebral blood flow (CBF) changes might act as surrogate marker for this process. OBJECTIVE To quantify longitudinal CBF changes using arterial spin labeling MRI (ASL) and interhemispheric balance within the cortical sensorimotor network and to assess their relationship with motor hand function recovery. METHODS Longitudinal CBF data were acquired in 23 patients at 3 and 9 months after cortical sensorimotor stroke and in 20 healthy controls using pulsed ASL. Recovery of grip force and manual dexterity was assessed with tasks requiring power and precision grips. Voxel-based analysis was performed to identify areas of significant CBF change. Region-of-interest analyses were used to quantify the interhemispheric balance across nodes of the cortical sensorimotor network. RESULTS Dexterity was more affected, and recovered at a slower pace than grip force. In patients with successful recovery of dexterous hand function, CBF decreased over time in the contralesional supplementary motor area, paralimbic anterior cingulate cortex and superior precuneus, and interhemispheric balance returned to healthy control levels. In contrast, patients with poor recovery presented with sustained hypoperfusion in the sensorimotor cortices encompassing the ischemic tissue, and CBF remained lateralized to the contralesional hemisphere. CONCLUSIONS Sustained perfusion imbalance within the cortical sensorimotor network, as measured with task-unrelated ASL, is associated with poor recovery of dexterous hand function after stroke. CBF at rest might be used to monitor recovery and gain prognostic information.

The EPICA Dronning Maud Land deep drilling operation

We report on the EPICA Dronning Maud Land (East Antarctica) deep drilling operation. Starting with the scientific questions that led to the outline of the EPICA project, we introduce the setting of sister drillings at NorthGRIP and EPICA Dome C within the European ice-coring community. The progress of the drilling operation is described within the context of three parallel, deep-drilling operations, the problems that occurred and the solutions we developed. Modified procedures are described, such as the monitoring of penetration rate via cable weight rather than motor torque, and modifications to the system (e.g. closing the openings at the lower end of the outer barrel to reduce the risk of immersing the drill in highly concentrated chip suspension). Parameters of the drilling (e.g. core-break force, cutter pitch, chips balance, liquid level, core production rate and piece number) are discussed. We also review the operational mode, particularly in the context of achieved core length and piece length, which have to be optimized for drilling efficiency and core quality respectively. We conclude with recommendations addressing the design of the chip-collection openings and strictly limiting the cable-load drop with respect to the load at the start of the run.

Yellow laser light generation by frequency doubling of the output from a master oscillator fiber power amplifier system

We present a power-scalable approach for yellow laser-light generation based on standard Ytterbium (Yb) doped fibers. To force the cavity to lase at 1154 nm, far above the gain-maximum, measures must be taken to fulfill lasing condition and to suppress competing amplified spontaneous emission (ASE) in the high-gain region. To prove the principle we built a fiber-laser cavity and a fiber-amplifier both at 1154 nm. In between cavity and amplifier we suppressed the ASE by 70 dB using a fiber Bragg grating (FBG) based filter. Finally we demonstrated efficient single pass frequency doubling to 577 nm with a periodically poled lithium niobate crystal (PPLN). With our linearly polarized 1154 nm master oscillator power fiber amplifier (MOFA) system we achieved slope efficiencies of more than 15 % inside the cavity and 24 % with the fiber-amplifier. The frequency doubling followed the predicted optimal efficiency achievable with a PPLN crystal. So far we generated 1.5 W at 1154nm and 90 mW at 577 nm. Our MOFA approach for generation of 1154 nm laser radiation is power-scalable by using multi-stage amplifiers and large mode-area fibers and is therefore very promising for building a high power yellow laser-light source of several tens of Watt.

Force-controlled patch clamp of beating cardiac cells.

From its invention in the 1970s, the patch clamp technique is the gold standard in electrophysiology research and drug screening because it is the only tool enabling accurate investigation of voltage-gated ion channels, which are responsible for action potentials. Because of its key role in drug screening, innovation efforts are being made to reduce its complexity toward more automated systems. While some of these new approaches are being adopted in pharmaceutical companies, conventional patch-clamp remains unmatched in fundamental research due to its versatility. Here, we merged the patch clamp and atomic force microscope (AFM) techniques, thus equipping the patch-clamp with the sensitive AFM force control. This was possible using the FluidFM, a force-controlled nanopipette based on microchanneled AFM cantilevers. First, the compatibility of the system with patch-clamp electronics and its ability to record the activity of voltage-gated ion channels in whole-cell configuration was demonstrated with sodium (NaV1.5) channels. Second, we showed the feasibility of simultaneous recording of membrane current and force development during contraction of isolated cardiomyocytes. Force feedback allowed for a gentle and stable contact between AFM tip and cell membrane enabling serial patch clamping and injection without apparent cell damage.

Carbohydrate Estimation by a Mobile Phone-Based System Versus Self-Estimations of Individuals With Type 1 Diabetes Mellitus: A Comparative Study

Background: Diabetes mellitus is spreading throughout the world and diabetic individuals have been shown to often assess their food intake inaccurately; therefore, it is a matter of urgency to develop automated diet assessment tools. The recent availability of mobile phones with enhanced capabilities, together with the advances in computer vision, have permitted the development of image analysis apps for the automated assessment of meals. GoCARB is a mobile phone-based system designed to support individuals with type 1 diabetes during daily carbohydrate estimation. In a typical scenario, the user places a reference card next to the dish and acquires two images using a mobile phone. A series of computer vision modules detect the plate and automatically segment and recognize the different food items, while their 3D shape is reconstructed. Finally, the carbohydrate content is calculated by combining the volume of each food item with the nutritional information provided by the USDA Nutrient Database for Standard Reference. Objective: The main objective of this study is to assess the accuracy of the GoCARB prototype when used by individuals with type 1 diabetes and to compare it to their own performance in carbohydrate counting. In addition, the user experience and usability of the system is evaluated by questionnaires. Methods: The study was conducted at the Bern University Hospital, “Inselspital” (Bern, Switzerland) and involved 19 adult volunteers with type 1 diabetes, each participating once. Each study day, a total of six meals of broad diversity were taken from the hospital’s restaurant and presented to the participants. The food items were weighed on a standard balance and the true amount of carbohydrate was calculated from the USDA nutrient database. Participants were asked to count the carbohydrate content of each meal independently and then by using GoCARB. At the end of each session, a questionnaire was completed to assess the user’s experience with GoCARB. Results: The mean absolute error was 27.89 (SD 38.20) grams of carbohydrate for the estimation of participants, whereas the corresponding value for the GoCARB system was 12.28 (SD 9.56) grams of carbohydrate, which was a significantly better performance ( P=.001). In 75.4% (86/114) of the meals, the GoCARB automatic segmentation was successful and 85.1% (291/342) of individual food items were successfully recognized. Most participants found GoCARB easy to use. Conclusions: This study indicates that the system is able to estimate, on average, the carbohydrate content of meals with higher accuracy than individuals with type 1 diabetes can. The participants thought the app was useful and easy to use. GoCARB seems to be a well-accepted supportive mHealth tool for the assessment of served-on-a-plate meals.

Deformation mechanisms in second-phase affected microstructures and their energy balance

Based on the relationship Zener parameter (Z=second-phase size/second-phase volume fraction) vs. calcite grain size (dg), second-phase controlled aggregates and microstructures that are weakly affected by second-phases are discriminated. The latter are characterized by large but constant grain sizes, high calcite grain boundary fractions and crystallographic preferred orientations (CPO), while calcite grain size and calcite grain boundary fraction decrease continuously and CPO weakens with decreasing Z in second-phase controlled microstructures. These observations suggest that second-phase controlled microstructures predominantly deform via granular flow because pinning of calcite grain boundaries reduces the efficiency of dynamic recrystallization favoring mass transfer processes and grain boundary sliding. In contrast, the balance of grain size reduction and growth by dynamic recrystallization maintains a steady state grain size in microstructures that are only weakly affected by second-phases promoting a predominance of dislocation creep. With increasing temperature, the relationship between Z and dg persists but the calcite grain size increases continuously. Based on microstructures, the energy of each modifying process is calculated and its relative contribution is compared with energies of the competing processes (surface energy, dragging energy, dynamic recrystallization energy). The steady state microstructures result from a temperature-dependent energy minimization procedure of the system.