Simultaneous Learning of Non-Linear Manifold and Dynamical Models for High-Dimensional Time Series

The goal of this work is to learn a parsimonious and informative representation for high-dimensional time series. Conceptually, this comprises two distinct yet tightly coupled tasks: learning a low-dimensional manifold and modeling the dynamical process. These two tasks have a complementary relationship as the temporal constraints provide valuable neighborhood information for dimensionality reduction and conversely, the low-dimensional space allows dynamics to be learnt efficiently. Solving these two tasks simultaneously allows important information to be exchanged mutually. If nonlinear models are required to capture the rich complexity of time series, then the learning problem becomes harder as the nonlinearities in both tasks are coupled. The proposed solution approximates the nonlinear manifold and dynamics using piecewise linear models. The interactions among the linear models are captured in a graphical model. The model structure setup and parameter learning are done using a variational Bayesian approach, which enables automatic Bayesian model structure selection, hence solving the problem of over-fitting. By exploiting the model structure, efficient inference and learning algorithms are obtained without oversimplifying the model of the underlying dynamical process. Evaluation of the proposed framework with competing approaches is conducted in three sets of experiments: dimensionality reduction and reconstruction using synthetic time series, video synthesis using a dynamic texture database, and human motion synthesis, classification and tracking on a benchmark data set. In all experiments, the proposed approach provides superior performance.

Polymer and metallodielectric based photonic crystals

The bottom-up colloidal synthesis of photonic crystals has attracted interest over top-down approaches due to their relatively simplicity, the potential to produce large areas, and the low-costs with this approach in fabricating complex 3-dimensional structures. This thesis focuses on the bottom-up approach in the fabrication of polymeric colloidal photonic crystals and their subsequent modification. Poly(methyl methacrylate) sub-micron spheres were used to produce opals, inverse opals and 3D metallodielectric photonic crystal (MDPC) structures. The fabrication of MDPCs with Au nanoparticles attached to the PMMA spheres core–shell particles is described. Various alternative procedures for the fabrication of photonic crystals and MDPCs are described and preliminary results on the use of an Au-based MDPC for surface-enhanced Raman scattering (SERS) are presented. These preliminary results suggest a threefold increase of the Raman signal with the MDPC as compared to PMMA photonic crystals. The fabrication of PMMA-gold and PMMA-nickel MDPC structures via an optimised electrodeposition process is described. This process results in the formation of a continuous dielectric-metal interface throughout a 3D inverted photonic crystal structure, which are shown to possess interesting optical properties. The fabrication of a robust 3D silica inverted structure with embedded Au nanoparticles is described by a novel co-crystallisation method which is capable of creating a SiO2/Au NP composite structure in a single step process. Although this work focuses on the creation of photonic crystals, this co-crystallisation approach has potential for the creation of other functional materials. A method for the fabrication of inverted opals containing silicon nanoparticles using aerosol assisted chemical vapour deposition is described. Silicon is a high dielectric material and nanoparticles of silicon can improve the band gap and absorption properties of the resulting structure, and therefore have the potential to be exploited in photovoltaics.

Domains in three-dimensional ferroelectric nanostructures

We report the experimental measurement of domains in single- crystal nanocolumns of ferroelectric BaTiO3, together with a theory of domain size scaling in three- dimensional structures which explains the observations.

Liquid source misted chemical deposition process of three-dimensional nano-ferroelectrics with substrate heating

A modification of liquid source misted chemical deposition process (LSMCD) with heating mist and substrate has developed, and this enabled to control mist penetrability and fluidity on sidewalls of three-dimensional structures and ensure step coverage. A modified LSMCD process allowed a combinatorial approach of Pb(Zr,Ti)O-3 (PZT) thin films and carbon nanotubes (CNTs) toward ultrahigh integration density of ferroelectric random access memories (FeRAMs). The CNTs templates were survived during the crystallization process of deposited PZT film onto CNTs annealed at 650 degrees C in oxygen ambient due to a matter of minute process, so that the thermal budget is quite small. The modified LSMCD process opens up the possibility to realize the nanoscale capacitor structure of ferroelectric PZT film with CNTs electrodes toward ultrahigh integration density FeRAMs.

Rigorous conditions for food-web intervality in high-dimensional trophic niche spaces

Food webs represent trophic (feeding) interactions in ecosystems. Since the late 1970s, it has been recognized that food-webs have a surprisingly close relationship to interval graphs. One interpretation of food-web intervality is that trophic niche space is low-dimensional, meaning that the trophic character of a species can be expressed by a single or at most a few quantitative traits. In a companion paper we demonstrated, by simulating a minimal food-web model, that food webs are also expected to be interval when niche-space is high-dimensional. Here we characterize the fundamental mechanisms underlying this phenomenon by proving a set of rigorous conditions for food-web intervality in high-dimensional niche spaces. Our results apply to a large class of food-web models, including the special case previously studied numerically.

General, PDB-based collective variables for protein folding

New, automated forms of data-analysis are required in order to understand the high-dimensional trajectories that are obtained from molecular dynamics simulations on proteins. Dimensionality reduction algorithms are particularly appealing in this regard as they allow one to construct unbiased, low-dimensional representations of the trajectory using only the information encoded in the trajectory. The downside of this approach is that different sets of coordinates are required for each different chemical systems under study precisely because the coordinates are constructed using information from the trajectory. In this paper we show how one can resolve this problem by using the sketch-map algorithm that we recently proposed to construct a low-dimensional representation of the structures contained in the protein data bank (PDB). We show that the resulting coordinates are as useful for analysing trajectory data as coordinates constructed using landmark configurations taken from the trajectory and that these coordinates can thus be used for understanding protein folding across a range of systems.

Radiation-induced defects in quantum-size structures of A3B5 semiconductors

As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos, motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela radiação. As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as heteroestruturas de baixa dimensão. Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões. A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência, excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo, permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação. Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos. Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a matriz. No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de luminescência dos dispositivos. O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do nível de Fermi dos portadores maioritários.

Peroxisome proliferator-activated receptor structures: ligand specificity, molecular switch and interactions with regulators.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) compose a family of nuclear receptors that mediate the effects of lipidic ligands at the transcriptional level. In this review, we highlight advances in the understanding of the PPAR ligand binding domain (LBD) structure at the atomic level. The overall structure of PPARs LBD is described, and important protein ligand interactions are presented. Structure-activity relationships between isotypes structures and ligand specificity are addressed. It is shown that the numerous experimental three-dimensional structures available, together with in silico simulations, help understanding the role played by the activating function-2 (AF-2) in PPARs activation and its underlying molecular mechanism. The relation between the PPARs constitutive activity and the intrinsic stability of the active conformation is discussed. Finally, the interactions of PPARs LBD with co-activators or co-repressors, as well as with the retinoid X receptor (RXR) are described and considered in relation to PPARs activation.

Reentrant quantum Hall effect in bilayer system at high filling factors

We report on the measurements of the quantum Hall effect states in double quantum well structures at the filling factors v = 4N + 1 and 4N + 3, where N is the Landau index number, in the presence of the in-plane magnetic field. The quantum Hall states at these filling factors vanish and reappear several times. Repeated reentrance of the transport gap occurs due to the periodic vanishing of the tunneling amplitude in the presence of the in-plane field. When the gap vanishes, the transport becomes anisotropic. The anisotropy persist at half-odd filling factors, when bilayer quantum Hall states are recovered with increase of the tilt angle. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Miniaturized structures for removal or selection of particles from liquid flow

The aim of this work was the development of miniaturized structures useful for retention and/or selection of particles and viscous substances from a liquid flow. The proposed low costs structures are similar to macroscopic wastewater treatment systems, named baffles, and allow disassemble. They were simulated using FEMLAB 3.2b package and manufactured in acrylic with conventional tools. Tests for retention or selection of particles in water or air and viscous fluids in water were carried out. Either in air or water particles with 50 mu m diameter will be retained but not with 13 mu m diameter. In aqueous flow, it is also possible the retention of viscous samples, such as silicone 350 cSt. The simulated results showed good agreement with experimental measurements. These miniaturized structures can be useful in sample pretreatment for chemical analysis and microorganism manipulation. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bioinformática estrutural aplicada ao estudo de enzimas da via metabólica do ácido chiquímico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência de estruturas geológicas bidimensionais no campo geoeletromagnético na presença do eletrojato equatorial

A Terra atua como um grande magneto esférico, cujo campo assemelha-se àquele gerado por um dipolo magnético. Este campo apresenta mudanças de intensidade que variam com a localização e a hora local. A parte principal do campo geomagnético se origina no interior da Terra através de processos eletromagnéticos. Extensivos estudos mostraram ainda que existem contribuições de origem externa ao planeta, principalmente de origem solar. Dentre estas fontes há anomalias do campo magnético que surgem a partir de um aumento diurno da corrente elétrica em uma estreita faixa da ionosfera, de direção leste-oeste, centrada no equador magnético e denominada Eletrojato Equatorial (EEJ). Ocasionalmente estas correntes podem apresentar reversões de fluxo, sendo denominadas Contra-Eletrojato (CEJ). Vários autores têm estudado os efeitos do EEJ e CEJ sobre as observações geoeletromagnéticas. Eles estão interessados no efeito combinado do EEJ e estruturas geológicas condutivas 1-D e 2-D. Nestes trabalhos a estrutura 2-D sempre se apresentava paralela ao eletrojato, o que é uma hipótese bastante restritiva ao se modelar ambientes geológicos mais realistas, em que corpos bidimensionais podem ter qualquer strike em relação ao EEJ. Neste trabalho apresentamos a solução deste problema sem esta restrição. Assim, mostramos os campos geoeletromagnéticos devidos a estruturas bidimensionais que possuam strike oblíquo em relação ao EEJ, através de perfis dos campos elétrico e magnéticos calculados na superfície e formando direção arbitrária à heterogeneidade condutiva 2-D. Com esta resposta avaliamos ainda qual a influência que estruturas bidimensionais exercem sobre a resposta magnetotelúrica, sob influência do Eletrojato Equatorial. Durante o desenvolvimento deste trabalho, utilizamos o método de elementos finitos, tendo por fonte eletromagnética o EEJ e o CEJ, que por sua vez foram representados por uma combinação de distribuições gaussianas de densidade de corrente. Estas fontes foram decompostas nas direções paralela e perpendicular à estrutura 2-D, resultando nos modos de propagação TE₁ e TE₂ e TM acoplados, respectivamente. Resolvemos o modo acoplado aplicando uma Transformada de Fourier nas equações de Maxwell e uma Transformada Inversa de Fourier na solução encontrada. De acordo com os experimentos numéricos realizados em um modelo interpretativo da Anomalia Condutiva da Bacia do Parnaíba, formado por uma enorme estrutura de 3000 ohm-m dentro de um corpo externo condutivo (1 ohm-m), concluímos que a presença do CEJ causa uma inversão na anomalia, se compararmos com o resultado do EEJ. Concluímos também que para as frequências mais altas as componentes do campo elétrico apresentam menor influência da parte interna do corpo 2-D do que da parte externa. Já para frequências mais baixas este comportamento se observa com as componentes do campo magnético. Com relação à frequência, vimos os efeitos do “skin-depth”, principalmente nas respostas magnéticas. Além disso, quando a estrutura 2-D está paralela ao eletrojato, o campo elétrico é insensível à estrutura interna do modelo para todos os valores de frequência utilizados. Com respeito ao ângulo θ_h entre a heterogeneidade e a fonte, vimos que o modo TM se manifesta naturalmente quando θ_h é diferente de 0°. Neste caso, o modo TE é composto por uma parte devido à componente da fonte paralela à heterogeneidade e a outra devido à componente da fonte perpendicular, que é acoplada ao modo TM. Assim, os campos calculados têm relação direta com o valor de θ_h. Analisando a influência do ângulo entre a direção do perfil dos campos e o strike da heterogeneidade verificamos que, à medida que θ_h se aproxima de 90°, os campos primários tornam-se variáveis para valores de θ_p diferentes de 90°. Estas variações causam uma assimetria na anomalia e dão uma idéia da inclinação da direção do perfil em relação aos corpos. Finalmente, concluímos que uma das influências que a distância entre o centro do EEJ e o centro da estrutura 2-D, causa sobre as componentes dos campos está relacionado às correntes reversas do EEJ e CEJ, pois a 500 km do centro da fonte estas correntes têm máxima intensidade. No entanto, com o aumento da distância, as anomalias diminuem de intensidade. Nas sondagens MT, nós também usamos o EEJ e o CEJ como fonte primária e comparamos nossos resultados com a resposta da onda plana. Deste modo observamos que as componentes do campo geoeletromagnético, usadas para calcular a impedância, têm influência do fator de acoplamento entre os modos TE₂ e TM. Além disso, esta influência se torna maior em meios resistivos e nas frequências mais baixas. No entanto, o fator de acoplamento não afeta os dados magnetotelúricos em frequências maiores de 10^-2 Hz. Para frequências da ordem de 10^-4 Hz os dados MT apresentam duas fontes de perturbação: a primeira e mais evidente é devido à presença fonte 2-D (EEJ e CEJ), que viola a hipótese da onda plana no método MT; e a segunda é causada pelo acoplamento entre os modos TE₂ e TM, pois quando a estrutura bidimensional está obliqua à fonte 2-D temos correntes elétricas adicionais ao longo da heterogeneidade. Concluimos assim, que o strike de uma grande estrutura condutiva bidimensional relativamente à direção do EEJ ou CEJ tem de fato influência sobre o campo geomagnético. Por outro lado, para estudos magnetotelúricos rasos (frequências maiores de 10^-3 Hz) o efeito do ângulo entre a estrutura geológica 2-D e a direção do EEJ não é tão importante. Contudo, em estudos de litosfera frequências menores de 10^-3 Hz) o acoplamento entre os modos TE₂ e TM não pode ser ignorado.

Modelagem numérica da influência do eletrojato equatorial em dados magnetotelúricos produzidos por estruturas tridimensionais

A América do Sul apresenta várias peculiaridades geomagnéticas, uma delas, é a presença do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influência do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes distâncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na exploração magnetotelúrica no Brasil. A influência do eletrojato equatorial na prospecção magnetotelúrica tem sido modelada para meios geológicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de soluções analíticas fechadas e de técnicas numéricas tais como elementos finitos e diferenças finitas. Em relação aos meios geológicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais próprias da geofísica da prospecção. Com tal finalidade, utilizamos o esquema numérico da equação integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influência do eletrojato equatorial somente acontece em frequências menores que 10^-1 Hz. Este efeito decresce com a distância, mantendo-se até uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presença de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espaço homogêneo, indica que a influência do eletrojato é notável neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localização também muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-elétricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e não mostra muitas diferenças entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipação da energia eletromagnética devido à presença da estratificação e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagnética tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localização do corpo, da frequência, do tipo de eletrojato e do meio geológico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presença da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, há uma aproximação entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em relação à resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequências as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequências se mostram com os mesmos valores, com exceção dos eletrojatos ondulantes com parâmetros de ondulação α = —2 e —3. Nossos resultados também mostram que características geométricas próprias das estruturas tridimensionais, tais como sua orientação em relação à direção do eletrojato e a dimensão da sua direção principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em comparação com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional é rotacionada de 90°, em relação à direção do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polarizações nas resistividades dos resultados, mas não existem mudanças nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, porém, se percebe facilmente alterações nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posição original. Isto se deve à persistência dos efeitos galvânicos no centro da estrutura e à presença de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a direção principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotelúricas vão se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polarização XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados estão muito longe de se considerar próximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Porém, os efeitos do eletrojato em estruturas com direção principal alongada, são muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferenças entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito é causado pelo acanalamento das correntes ao longo da direção principal da estrutura. O modelamento de estruturas geológicas da Bacia de Marajó confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes distâncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freqüência (nas proximidades de 10^-1 Hz e para freqüências menores que 10^-3 Hz), possivelmente influenciados pela presença do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freqüências as sondagens magnetotelúricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galvânicos da estrutura tridimensional como pela presença da influência do eletrojato. Conseqüêntemente, interpretações errôneas dos dados de campo podem ser cometidas, se não se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, não se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard.

Modular Hyperthermostable Bacterial Endo-beta-1, 4-Mannanase: Molecular Shape, Flexibility and Temperature-Dependent Conformational Changes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structure of the polypeptide crotamine from the Brazilian rattlesnake Crotalus durissus terrificus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)