Crystals that count! Physical principles and experimental investigations of DNA tile self-assembly

Algorithmic DNA tiles systems are fascinating. From a theoretical perspective, they can result in simple systems that assemble themselves into beautiful, complex structures through fundamental interactions and logical rules. As an experimental technique, they provide a promising method for programmably assembling complex, precise crystals that can grow to considerable size while retaining nanoscale resolution. In the journey from theoretical abstractions to experimental demonstrations, however, lie numerous challenges and complications.

In this thesis, to examine these challenges, we consider the physical principles behind DNA tile self-assembly. We survey recent progress in experimental algorithmic self-assembly, and explain the simple physical models behind this progress. Using direct observation of individual tile attachments and detachments with an atomic force microscope, we test some of the fundamental assumptions of the widely-used kinetic Tile Assembly Model, obtaining results that fit the model to within error. We then depart from the simplest form of that model, examining the effects of DNA sticky end sequence energetics on tile system behavior. We develop theoretical models, sequence assignment algorithms, and a software package, StickyDesign, for sticky end sequence design.

As a demonstration of a specific tile system, we design a binary counting ribbon that can accurately count from a programmable starting value and stop growing after overflowing, resulting in a single system that can construct ribbons of precise and programmable length. In the process of designing the system, we explain numerous considerations that provide insight into more general tile system design, particularly with regards to tile concentrations, facet nucleation, the construction of finite assemblies, and design beyond the abstract Tile Assembly Model.

Finally, we present our crystals that count: experimental results with our binary counting system that represent a significant improvement in the accuracy of experimental algorithmic self-assembly, including crystals that count perfectly with 5 bits from 0 to 31. We show some preliminary experimental results on the construction of our capping system to stop growth after counters overflow, and offer some speculation on potential future directions of the field.

Understanding planet formation through high precision photometry and spectroscopy

From studies of protoplanetary disks to extrasolar planets and planetary debris, we aim to understand the full evolution of a planetary system. Observational constraints from ground- and space-based instrumentation allows us to measure the properties of objects near and far and are central to developing this understanding. We present here three observational campaigns that, when combined with theoretical models, reveal characteristics of different stages and remnants of planet formation. The Kuiper Belt provides evidence of chemical and dynamical activity that reveals clues to its primordial environment and subsequent evolution. Large samples of this population can only be assembled at optical wavelengths, with thermal measurements at infrared and sub-mm wavelengths currently available for only the largest and closest bodies. We measure the size and shape of one particular object precisely here, in hopes of better understanding its unique dynamical history and layered composition.

Molecular organic chemistry is one of the most fundamental and widespread facets of the universe, and plays a key role in planet formation. A host of carbon-containing molecules vibrationally emit in the near-infrared when excited by warm gas, T~1000 K. The NIRSPEC instrument at the W.M. Keck Observatory is uniquely configured to study large ranges of this wavelength region at high spectral resolution. Using this facility we present studies of warm CO gas in protoplanetary disks, with a new code for precise excitation modeling. A parameterized suite of models demonstrates the abilities of the code and matches observational constraints such as line strength and shape. We use the models to probe various disk parameters as well, which are easily extensible to others with known disk emission spectra such as water, carbon dioxide, acetylene, and hydrogen cyanide.

Lastly, the existence of molecules in extrasolar planets can also be studied with NIRSPEC and reveals a great deal about the evolution of the protoplanetary gas. The species we observe in protoplanetary disks are also often present in exoplanet atmospheres, and are abundant in Earth's atmosphere as well. Thus, a sophisticated telluric removal code is necessary to analyze these high dynamic range, high-resolution spectra. We present observations of a hot Jupiter, revealing water in its atmosphere and demonstrating a new technique for exoplanet mass determination and atmospheric characterization. We will also be applying this atmospheric removal code to the aforementioned disk observations, to improve our data analysis and probe less abundant species. Guiding models using observations is the only way to develop an accurate understanding of the timescales and processes involved. The futures of the modeling and of the observations are bright, and the end goal of realizing a unified model of planet formation will require both theory and data, from a diverse collection of sources.

Did galaxies reionize the universe?

The epoch of reionization remains one of the last uncharted eras of cosmic history, yet this time is of crucial importance, encompassing the formation of both the first galaxies and the first metals in the universe. In this thesis, I present four related projects that both characterize the abundance and properties of these first galaxies and uses follow-up observations of these galaxies to achieve one of the first observations of the neutral fraction of the intergalactic medium during the heart of the reionization era.

First, we present the results of a spectroscopic survey using the Keck telescopes targeting 6.3 < z < 8.8 star-forming galaxies. We secured observations of 19 candidates, initially selected by applying the Lyman break technique to infrared imaging data from the Wide Field Camera 3 (WFC3) onboard the Hubble Space Telescope (HST). This survey builds upon earlier work from Stark et al. (2010, 2011), which showed that star-forming galaxies at 3 < z < 6, when the universe was highly ionized, displayed a significant increase in strong Lyman alpha emission with redshift. Our work uses the LRIS and NIRSPEC instruments to search for Lyman alpha emission in candidates at a greater redshift in the observed near-infrared, in order to discern if this evolution continues, or is quenched by an increase in the neutral fraction of the intergalactic medium. Our spectroscopic observations typically reach a 5-sigma limiting sensitivity of < 50 AA. Despite expecting to detect Lyman alpha at 5-sigma in 7-8 galaxies based on our Monte Carlo simulations, we only achieve secure detections in two of 19 sources. Combining these results with a similar sample of 7 galaxies from Fontana et al. (2010), we determine that these few detections would only occur in < 1% of simulations if the intrinsic distribution was the same as that at z ~ 6. We consider other explanations for this decline, but find the most convincing explanation to be an increase in the neutral fraction of the intergalactic medium. Using theoretical models, we infer a neutral fraction of X_HI ~ 0.44 at z = 7.

Second, we characterize the abundance of star-forming galaxies at z > 6.5 again using WFC3 onboard the HST. This project conducted a detailed search for candidates both in the Hubble Ultra Deep Field as well as a number of additional wider Hubble Space Telescope surveys to construct luminosity functions at both z ~ 7 and 8, reaching 0.65 and 0.25 mag fainter than any previous surveys, respectively. With this increased depth, we achieve some of the most robust constraints on the Schechter function faint end slopes at these redshifts, finding very steep values of alpha_{z~7} = -1.87 +/- 0.18 and alpha_{z~8} = -1.94 +/- 0.23. We discuss these results in the context of cosmic reionization, and show that given reasonable assumptions about the ionizing spectra and escape fraction of ionizing photons, only half the photons needed to maintain reionization are provided by currently observable galaxies at z ~ 7-8. We show that an extension of the luminosity function down to M_{UV} = -13.0, coupled with a low level of star-formation out to higher redshift, can fit all available constraints on the ionization history of the universe.

Third, we investigate the strength of nebular emission in 3 < z < 5 star-forming galaxies. We begin by using the Infrared Array Camera (IRAC) onboard the Spitzer Space Telescope to investigate the strength of H alpha emission in a sample of 3.8 < z < 5.0 spectroscopically confirmed galaxies. We then conduct near-infrared observations of star-forming galaxies at 3 < z < 3.8 to investigate the strength of the [OIII] 4959/5007 and H beta emission lines from the ground using MOSFIRE. In both cases, we uncover near-ubiquitous strong nebular emission, and find excellent agreement between the fluxes derived using the separate methods. For a subset of 9 objects in our MOSFIRE sample that have secure Spitzer IRAC detections, we compare the emission line flux derived from the excess in the K_s band photometry to that derived from direct spectroscopy and find 7 to agree within a factor of 1.6, with only one catastrophic outlier. Finally, for a different subset for which we also have DEIMOS rest-UV spectroscopy, we compare the relative velocities of Lyman alpha and the rest-optical nebular lines which should trace the cites of star-formation. We find a median velocity offset of only v_{Ly alpha} = 149 km/s, significantly less than the 400 km/s observed for star-forming galaxies with weaker Lyman alpha emission at z = 2-3 (Steidel et al. 2010), and show that this decrease can be explained by a decrease in the neutral hydrogen column density covering the galaxy. We discuss how this will imply a lower neutral fraction for a given observed extinction of Lyman alpha when its visibility is used to probe the ionization state of the intergalactic medium.

Finally, we utilize the recent CANDELS wide-field, infra-red photometry over the GOODS-N and S fields to re-analyze the use of Lyman alpha emission to evaluate the neutrality of the intergalactic medium. With this new data, we derive accurate ultraviolet spectral slopes for a sample of 468 3 < z < 6 star-forming galaxies, already observed in the rest-UV with the Keck spectroscopic survey (Stark et al. 2010). We use a Bayesian fitting method which accurately accounts for contamination and obscuration by skylines to derive a relationship between the UV-slope of a galaxy and its intrinsic Lyman alpha equivalent width probability distribution. We then apply this data to spectroscopic surveys during the reionization era, including our own, to accurately interpret the drop in observed Lyman alpha emission. From our most recent such MOSFIRE survey, we also present evidence for the most distant galaxy confirmed through emission line spectroscopy at z = 7.62, as well as a first detection of the CIII]1907/1909 doublet at z > 7.

We conclude the thesis by exploring future prospects and summarizing the results of Robertson et al. (2013). This work synthesizes many of the measurements in this thesis, along with external constraints, to create a model of reionization that fits nearly all available constraints.

Nonlinear spectroscopy of cold atoms in diffuse laser light

The nonlinear spectroscopy of cold atoms in the diffuse laser cooling system is studied in this paper. We present the theoretical models of the recoil-induced resonances (RIR) and the electromagnetically-induced absorption (EIA) of cold atoms in diffuse laser light, and show their signals in an experiment of cooling Rb-87 atomic vapor in an integrating sphere. The theoretical results are in good agreement with the experimental ones when the light intensity distribution in the integrating sphere is considered. The differences between nonlinear spectra of cold atoms in the diffuse laser light and in the optical molasses are also discussed. (c) 2009 Optical Society of America

Modelagem do Equilíbrio de Fases entre Hidrocarbonetos Leves e Pesados

O comportamento de fases para sistemas binários com um hidrocarboneto leve e um pesado é muito importante tanto para o projeto real de um processo quanto para o desenvolvimento de modelos teóricos. Para atender a crescente demanda por informação experimental de equilíbrio de fases a altas pressões, o objetivo deste estudo é obter uma metodologia que substitua parcialmente ou maximize a pouca informação experimental disponível. Para isto propõe-se a modelagem do equilíbrio de fases em misturas de hidrocarboneto leve com um pesado, sem o conhecimento da estrutura molecular do pesado, inferindo-se os parâmetros do modelo a partir da modelagem de dados de ponto de bolha obtidos na literatura. Esta metodologia implica não só na descrição do equilíbrio de fases de um sistema como na estimação das propriedades críticas do pesado, de difícil obtenção devido ao craqueamento destes a altas temperaturas. Neste contexto, este estudo apresenta uma estratégia que estima indiretamente as propriedades críticas dos compostos pesados. Para isto, foram correlacionados dados experimentais de ponto de bolha de misturas binárias contendo um hidrocarboneto leve e um pesado, usando-se dois modelos: o de Peng-Robinson e o TPT1M (Teoria da Polimerização Termodinâmica de primeira ordem de Wertheim modificada). Os parâmetros ajustados com o modelo de Peng-Robinson correspondem diretamente às propriedades críticas do composto pesado, enquanto os ajustados com o modelo TPT1M foram usados para obtê-las. Esta estratégia fornece parâmetros dependentes do modelo, porém permite o cálculo de outras propriedades termodinâmicas, como a extrapolação da temperatura dos dados estudados. Além disso, acredita-se que a correlação dos parâmetros obtidos com as propriedades críticas disponíveis ajudará na caracterização de frações pesadas de composição desconhecida

Tsunamis - a model of their generation and propagation

A general solution is presented for water waves generated by an arbitrary movement of the bed (in space and time) in a two-dimensional fluid domain with a uniform depth. The integral solution which is developed is based on a linearized approximation to the complete (nonlinear) set of governing equations. The general solution is evaluated for the specific case of a uniform upthrust or downthrow of a block section of the bed; two time-displacement histories of the bed movement are considered.

An integral solution (based on a linear theory) is also developed for a three-dimensional fluid domain of uniform depth for a class of bed movements which are axially symmetric. The integral solution is evaluated for the specific case of a block upthrust or downthrow of a section of the bed, circular in planform, with a time-displacement history identical to one of the motions used in the two-dimensional model.

Since the linear solutions are developed from a linearized approximation of the complete nonlinear description of wave behavior, the applicability of these solutions is investigated. Two types of non-linear effects are found which limit the applicability of the linear theory: (1) large nonlinear effects which occur in the region of generation during the bed movement, and (2) the gradual growth of nonlinear effects during wave propagation.

A model of wave behavior, which includes, in an approximate manner, both linear and nonlinear effects is presented for computing wave profiles after the linear theory has become invalid due to the growth of nonlinearities during wave propagation.

An experimental program has been conducted to confirm both the linear model for the two-dimensional fluid domain and the strategy suggested for determining wave profiles during propagation after the linear theory becomes invalid. The effect of a more general time-displacement history of the moving bed than those employed in the theoretical models is also investigated experimentally.

The linear theory is found to accurately approximate the wave behavior in the region of generation whenever the total displacement of the bed is much less than the water depth. Curves are developed and confirmed by the experiments which predict gross features of the lead wave propagating from the region of generation once the values of certain nondimensional parameters (which characterize the generation process) are known. For example, the maximum amplitude of the lead wave propagating from the region of generation has been found to never exceed approximately one-half of the total bed displacement. The gross features of the tsunami resulting from the Alaskan earthquake of 27 March 1964 can be estimated from the results of this study.

注入锁定激光器的边带锁频技术稳频系统优化分析

介绍了边带锁频技术稳频方法，推导出鉴频曲线，对稳频控制过程进行了分析．建立了注入锁定激光器的边带锁频技术稳频系统理论模型，讨论了相关参量对稳频效果的影响并且进行了优化．结果表明，增加入射光强，采用窄线宽的法布里一珀罗以及对法布里一珀罗进行高准确度温控都可以增强稳频效果．提出适用于注入锁定激光器的两种稳频方案并进行比较．

Um estudo sobre a construção do diagnóstico de autismo nas comunidades da rede de relacionamento do Orkut no Brasil

O processo de construção de diagnósticos na contemporaneidade vem sofrendo modificações, constituindo novo foco de trabalho no campo da sociologia médica. O surgimento de grupos de reivindicação de direitos de pacientes e familiares, no final do século XX, determina um novo elemento na criação de categorias diagnósticas. Ao divulgar conhecimento sobre a experiência do doente, e reivindicar tratamentos, esses grupos desafiam a noção de exclusividade do conhecimento médico sobre os diagnósticos. Nesse sentido, a Internet se mostra um terreno fértil de propagação de conhecimento e de mobilização social, tanto de contestação quanto de afirmação do saber médico. Este trabalho faz uma análise do conteúdo de seis comunidades brasileiras de autismo da rede de relacionamentos do Orkut. Alguns resultados são apresentados em relação à divulgação de modelos teóricos, conhecimento baseado no cotidiano de pacientes e formas de ativismo em saúde nessas comunidades virtuais.

Trajetórias de reformas e mudanças institucionais na semiperiferia : abertura financeira e capacidades estatais no Brasil e India

A presente tese se empenha na análise comparada de corte polanyiano da trajetória de liberalização econômica do Brasil e Índia. O objetivo é compreender os padrões de mudança institucional que organizam as reformas orientadas para o mercado. Para isso empregou uma análise que combina modelos de coalizão de interesse, dependência de trajetória e comunidades epistêmicas empregados de forma interdependente para entender as adaptações ao cenário de globalização financeira. Os mecanismos de fertilização mútua dessas variáveis causais desempenham um papel analítico crucial porque permitiu escapar de modelos monocausais que tendem a ficar presos a explicações que sobredeterminam exclusivamente restrições externas, padrões institucionais domésticos ou legados institucionais estatais. Ao empregar esse instrumento, a tese procura mostrar as diferenças no grau de liberdade das capacidades estatais entre Brasil e Índia no contexto das reformas e as semelhanças em termos da estratégia incremental das reformas.

Modelos teóricos da deficiência no discurso acadêmico brasileiro: perspectivas integracionistas e o campo da saúde coletiva

Atualmente, a deficiência é pensada através de dois modelos principais: o modelo médico e o modelo social. Cada um deles adota paradigmas próprios para a definição da deficiência e a proposição de ações reparadoras. Os efeitos sociais da adoção destes modelos variam amplamente, indo da exclusão à inclusão social de pessoas com deficiência. Esta dissertação apresenta a contribuição de perspectivas críticas recentes - nomeadas aqui como perspectivas integracionistas - que congregam elementos dos modelos anteriores. Essas perspectivas apontam para os limites dos modelos tradicionais, e propõem uma abordagem integrada que possa dar conta da complexidade do fenômeno da deficiência, característica que as tornam particularmente interessantes para o campo da Saúde Coletiva. No Brasil a deficiência ainda é considerada uma temática específica de determinados nichos de conhecimento, mais ligados aos campos da saúde e da educação. O tema da deficiência permanece abordado de modo incipiente pelas ciências humanas e sociais no país. No entanto, o país atravessa um momento de transição de paradigmas a respeito da deficiência: ao mesmo tempo em que desenvolvemos dispositivos legais alinhados às diretrizes da Convenção sobre os Direitos das Pessoas com Deficiência (ONU), ainda há uma enorme diferença entre os discursos circulantes e as práticas efetivamente dirigidas às pessoas com deficiência. Por esta razão, este trabalho buscou traçar um panorama do discurso acadêmico brasileiro sobre a deficiência, visando avaliar como as diferentes perspectivas e modelos teóricos emergem nas narrativas acadêmicas sobre o tema. Para isso, foi realizada uma revisão bibliográfica em base de dados virtuais (SciELO Brazil). Foram selecionados para a amostra artigos cujos conteúdos se relacionavam à questão da deficiência no Brasil e trouxessem achados de pesquisas empíricas, relatos de experiência, pesquisas documentais ou estudos de caso no tema da deficiência. Procedimentos quantitativos e qualitativos foram usados para a análise da amostra. O trabalho se divide em duas partes: a primeira parte apresenta os principais modelos teóricos da deficiência e a contribuição crítica das perspectivas integracionistas. O propósito de tal discussão teórica é situar a deficiência em sua transversalidade e destacar as relações entre a adoção de um modelo e as práticas e discursos sobre a deficiência que dele se derivam. A segunda parte do trabalho apresenta e discute os dados da pesquisa, buscando levantar as especificidades do contexto brasileiro sobre o tema da deficiência, relacionando os achados com os debates internacionais do campo dos Estudos sobre Deficiência.

Estudo comparativo dos modelos de avaliação de inovação para obtenção de capital de risco: programa governamental Criatec I - BNDES versus modelos teóricos para cálculo de intangíveis propostos na Contabilidade.

Como forma de impulsionar o crescimento econômico, governos de diversos países incentivam o empreendedorismo, a inovação e o desenvolvimento tecnológico. Para isto, se utilizam de programas governamentais por meio de políticas de incentivo ou subvenção econômica a empreendimentos com este perfil. No Brasil, o capital de risco público vem sendo oferecido à empresas inovadoras através dos fundos da série Criatec, com recursos do BNDES. Estas empresas possuem, principalmente, ativos intangíveis, que devem ser considerados pelos investidores em suas avaliações que antecedem o aporte de recursos. Neste contexto, esta pesquisa foi desenvolvida com o objetivo de analisar como a metodologia de avaliação de intangíveis utilizada pelo Fundo Criatec I do BNDES, como ferramenta de apoio de decisão de investimento de capital de risco público, considera os indicadores de inovação frente aos modelos teóricos propostos na literatura contábil. Para isto foi realizado estudo de campo através de entrevistas realizadas com os gestores do Fundo e com diversas empresas investidas por este. Por meio da pesquisa foi observado que é realizada profunda análise das empresas candidatas ao aporte de recursos através da avaliação de três fatores de risco. Foi possível verificar indicadores de inovação presentes nas metodologias de avaliação de intangíveis propostas na literatura contábil na análise de um destes fatores. Contudo foi possível identificar que os indicadores de inovação não são avaliados de forma pré definida e parametrizada no modelo utilizado pelo Fundo.

Memórias, leituras e escritas comuns de um protagonista anônimo da história: José Luiz da Silva

A pesquisa teve como objetivo conhecer o processo de formação de um sujeito comum: José Luiz da Silva, ararunense (PB), nascido em 1929, oriundo de família de classe popular. Para isso, combinou duas fontes possíveis em estudos envolvendo os protagonistas anônimos da História: seus relatos orais de vida construídos em situação de entrevista e suas escritas ordinárias, buscando identificar marcas de escolarização nesses materiais e suas possíveis ausências , produzidas pelos modelos praticados em contextos escolares, assim como dificuldades enfrentadas por quem foi privado do direito à educação escolar, e que aprendeu a ler e a escrever em outros espaços. Por meio desses fundamentos indispensáveis para o desenvolvimento de aprendizagens, aventurou-se à construção de conhecimentos de forma pessoal, sobretudo, pela leitura. O estudo (auto)biográfico revelou parte das interdições sofridas, em um Estado republicano, destacando períodos cruciais que atravessaram a trajetória do colaborador, percebidos a contrapelo. As narrativas construídas durante os encontros dialógicos permitiram entrar em contato com memórias e subjetividades inerentes ao processo identitário do sujeito, bem como aproximar-me da complexidade que envolveu seu processo de construção de conhecimento nas práticas sociais, à medida que durante as construções narrativas apoderou-se de seus territórios de passagem. A proposta indiciária contribuiu na percepção e apreensão de detalhes reveladores do processo de formação do sujeito e dos usos que fez de táticas, na condição de subalternidade imposta pelos modelos hegemônicos. A pesquisa favoreceu-se, apesar da falta de objetos-monumentos das passagens escolares, do transbordamento da memória de um cidadão octogenário. As experiências (re)construídas pelo Sr. José Luiz revelaram aspectos que se assemelham a histórias de vida de outros sujeitos adultos: no momento em que o direito à educação na infância lhes é negado, (re)inventam outras formas de aprender e de participar da sociedade da cultura escrita

Dynamic condition monitoring of buried gas pipes

This paper describes a device which can be used to detect variation in the integrity of the surrounding medium which supports buried gas pipes. The method is also applicable to other kinds of pipe. Variation in pipe support condition leads to increased likelihood of pipe damage under vehicle loading. A vibrating 'pig' has been developed and tested on buried pipelines in Britain and the measured data obtained is compared with theoretical models. Certain features, such as voids, hard spots and joints, display characteristic responses to vibration and a library of such characteristics has been constructed both experimentally and from the theoretical models.

Failure mechanisms and toughness of Al2O3 ductile-particle toughened ceramics and SiC fibre-ceramic composites

The development of high performance ceramics and ceramic composites often relies on assumptions about their behaviour during loading and at failure. A crucial influence on the mechanical properties of these materials is the degree of sub-critical cracking, which post mortem investigations cannot adequately reveal. Hence a clear picture of the dynamic micromechanisms of cracking is required if applications of fracture and damage mechanics to theoretical models is to be meaningful.

Mechanism of polarization pinning in vertical cavity surface emitting lasers using focused ion beam etching

Photoluminescence experiments have identified strain as the origin for polarization pinning in vertical cavity surface emitting lasers post-processed by focused ion beam etching. Theoretical models were applied to deduce the strain in devices. Post-annealing was used to optimize polarization pinning.