Phonon spectra and thermodynamic properties of rare gas solids based on empirical and semi-empirical (ab initio) two-body potentials : a comparative study /

We study the phonon dispersion, cohesive and thermal properties of raxe gas solids Ne, Ar, Kr, and Xe, using a variety of potentials obtained from different approaches; such as, fitting to crystal properties, purely ab initio calculations for molecules and dimers or ab initio calculations for solid crystalline phase, a combination of ab initio calculations and fitting to either gas phase data or sohd state properties. We explore whether potentials derived with a certain approaxih have any obvious benefit over the others in reproducing the solid state properties. In particular, we study phonon dispersion, isothermal ajid adiabatic bulk moduli, thermal expansion, and elastic (shear) constants as a function of temperatiue. Anharmonic effects on thermal expansion, specific heat, and bulk moduli have been studied using A^ perturbation theory in the high temperature limit using the neaxest-neighbor central force (nncf) model as developed by Shukla and MacDonald [4]. In our study, we find that potentials based on fitting to the crystal properties have some advantage, particularly for Kr and Xe, in terms of reproducing the thermodynamic properties over an extended range of temperatiures, but agreement with the phonon frequencies with the measured values is not guaranteed. For the lighter element Ne, the LJ potential which is based on fitting to the gas phase data produces best results for the thermodynamic properties; however, the Eggenberger potential for Ne, where the potential is based on combining ab initio quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations, produces results that have better agreement with the measured dispersion, and elastic (shear) values. For At, the Morse-type potential, which is based on M0ller-Plesset perturbation theory to fourth order (MP4) ab initio calculations, yields the best results for the thermodynamic properties, elastic (shear) constants, and the phonon dispersion curves.

Brillouin spectroscopy : measurement of elastic and photoelastic constants of some alkali holide crystals

The assembly and testing of apparatus for the measurement of elastic and photoelastic constants by Brillouin scattering, using a Fabry-Perot interferometer and with argon ion laser excitation is described. Such measurements are performed on NaCI, KBr and LiF using the A = 488.0 nm laser line. The elastic constants obtained here are in very good agreement with the ultrasonic data for all three materials. The discrepancy between ultrasonic and hypersonic sound velocities which was reported by some authors for KBr and LiF is not confirmed, and the elastic constants obtained for LiF are the most accurate to date. Also, the present photoelastic constants are in good agreement with the data obtained by ultrasonic techniques for all three crystals. The results for the KBr and LiF crystals constitute the first set of photoelastic constants obtained for these materials by Brillouin spectroscopy. Our results for LiF are the best available to date.

L'élastographie ultrasonore dynamique vasculaire : une nouvelle modalité d'imagerie non-invasive pour la caractérisation mécanique de la thrombose veineuse

L’accident thromboembolique veineux, tel que la thrombose veineuse profonde (TVP) ou thrombophlébite des membres inférieurs, est une pathologie vasculaire caractérisée par la formation d’un caillot sanguin causant une obstruction partielle ou totale de la lumière sanguine. Les embolies pulmonaires sont une complication mortelle des TVP qui surviennent lorsque le caillot se détache, circule dans le sang et produit une obstruction de la ramification artérielle irriguant les poumons. La combinaison d’outils et de techniques d’imagerie cliniques tels que les règles de prédiction cliniques (signes et symptômes) et les tests sanguins (D-dimères) complémentés par un examen ultrasonographique veineux (test de compression, écho-Doppler), permet de diagnostiquer les premiers épisodes de TVP. Cependant, la performance de ces outils diagnostiques reste très faible pour la détection de TVP récurrentes. Afin de diriger le patient vers une thérapie optimale, la problématique n’est plus basée sur la détection de la thrombose mais plutôt sur l’évaluation de la maturité et de l’âge du thrombus, paramètres qui sont directement corrélées à ses propriétés mécaniques (e.g. élasticité, viscosité). L’élastographie dynamique (ED) a récemment été proposée comme une nouvelle modalité d’imagerie non-invasive capable de caractériser quantitativement les propriétés mécaniques de tissus. L’ED est basée sur l’analyse des paramètres acoustiques (i.e. vitesse, atténuation, pattern de distribution) d’ondes de cisaillement basses fréquences (10-7000 Hz) se propageant dans le milieu sondé. Ces ondes de cisaillement générées par vibration externe, ou par source interne à l’aide de la focalisation de faisceaux ultrasonores (force de radiation), sont mesurées par imagerie ultrasonore ultra-rapide ou par résonance magnétique. Une méthode basée sur l’ED adaptée à la caractérisation mécanique de thromboses veineuses permettrait de quantifier la sévérité de cette pathologie à des fins d’amélioration diagnostique. Cette thèse présente un ensemble de travaux reliés au développement et à la validation complète et rigoureuse d’une nouvelle technique d’imagerie non-invasive élastographique pour la mesure quantitative des propriétés mécaniques de thromboses veineuses. L’atteinte de cet objectif principal nécessite une première étape visant à améliorer les connaissances sur le comportement mécanique du caillot sanguin (sang coagulé) soumis à une sollicitation dynamique telle qu’en ED. Les modules de conservation (comportement élastique, G’) et de perte (comportement visqueux, G’’) en cisaillement de caillots sanguins porcins sont mesurés par ED lors de la cascade de coagulation (à 70 Hz), et après coagulation complète (entre 50 Hz et 160 Hz). Ces résultats constituent les toutes premières mesures du comportement dynamique de caillots sanguins dans une gamme fréquentielle aussi étendue. L’étape subséquente consiste à mettre en place un instrument innovant de référence (« gold standard »), appelé RheoSpectris, dédié à la mesure de la viscoélasticité hyper-fréquence (entre 10 Hz et 1000 Hz) des matériaux et biomatériaux. Cet outil est indispensable pour valider et calibrer toute nouvelle technique d’élastographie dynamique. Une étude comparative entre RheoSpectris et la rhéométrie classique est réalisée afin de valider des mesures faites sur différents matériaux (silicone, thermoplastique, biomatériaux, gel). L’excellente concordance entre les deux technologies permet de conclure que RheoSpectris est un instrument fiable pour la mesure mécanique à des fréquences difficilement accessibles par les outils actuels. Les bases théoriques d’une nouvelle modalité d’imagerie élastographique, nommée SWIRE (« shear wave induced resonance dynamic elastography »), sont présentées et validées sur des fantômes vasculaires. Cette approche permet de caractériser les propriétés mécaniques d’une inclusion confinée (e.g. caillot sanguin) à partir de sa résonance (amplification du déplacement) produite par la propagation d’ondes de cisaillement judicieusement orientées. SWIRE a également l’avantage d’amplifier l’amplitude de vibration à l’intérieur de l’hétérogénéité afin de faciliter sa détection et sa segmentation. Finalement, la méthode DVT-SWIRE (« Deep venous thrombosis – SWIRE ») est adaptée à la caractérisation de l’élasticité quantitative de thromboses veineuses pour une utilisation en clinique. Cette méthode exploite la première fréquence de résonance mesurée dans la thrombose lors de la propagation d’ondes de cisaillement planes (vibration d’une plaque externe) ou cylindriques (simulation de la force de radiation par génération supersonique). DVT-SWIRE est appliquée sur des fantômes simulant une TVP et les résultats sont comparés à ceux donnés par l’instrument de référence RheoSpectris. Cette méthode est également utilisée avec succès dans une étude ex vivo pour l’évaluation de l’élasticité de thromboses porcines explantées après avoir été induites in vivo par chirurgie.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Ultrasonic Study Of The Elastic Properties And Phase Transitions In Selected Mixed Sulphate Crystals

The thesis investigated the elastic properties and phase transitions in selected mixed sulphate crystals – Lithium Hydrazinium Sulphate [LiN2H2SO4], Lithium Ammonium Sulphate [LiNH4SO4] and Lithium Potassium Sulphate [LiKSO4] – using ultrasonic technique. The pulse echo overlap technique has been used for measuring ultrasonic velocity and its dependence on temperature along different directions with waves of longitudinal and transverse polarizations. Two major numerical techniques and the corresponding computer programs developed as part of present work are presented in this thesis. All the 9 elastic constants of LHS are determined accurately from ultrasonic measurements and applying misorientation correction refines the constants. Ultrasonic measurements are performed in LAS to determine the elastic constants and to study the low temperature phase transitions. Temperature variation studies of elastic constant of LAS are performed for 6 different modes of propagation for heating and cooling at low temperatures. All the 5 independent elastic constants of LPS is determined using ultrasonic measurements. It is concluded that LPS crystal does not undergo a phase transition near this temperature. A comparison of the three crystals studied shows that LPS has maximum number of phase transitions and LHS has the least number. It is interesting to note that LPS has the simplest formula unit among the three. There is considerable scope for the future work on these crystals and others belonging to the sulphate family.

Elastic Constants And Structural Parameters Of Selected Polycrystalline Ceramics By Ultrasonic Technique

The present work is an attempt to probe the elastic properties in some dielectric ceramics, by using ultrasonic pulse echo overlap technique. The base Ba6-xSm8+2xTi18O54 and Ca5Nb2TiO12 are very important dielectrics ceramics used for microwave communication as well as for substrate materials. Ultrasonic is one of the most widely used and powerful techniques to measure elastic properties of solids. The ultrasonic technique is nondestructive in nature and the measurements are relatively straightforward to perform. One unique advantantage of the ultrasonic technique is that both static and dynamic properties can be measured simultaneously. The velocity and attenuation coefficients of the ultrasonic waves propagating through a medium are related to the microscopic structure of the material and they provide valuable information about the structural changes in the system. Among the various ultrasonic techniques, the pulse echo overlap method is the most accurate and precise one. In the present case the decreased elastic properties of Cas-XMg,Nb2TiO12 and Cas-,ZnNb2TiO12 ceramics can be attributed to their mixture phases beyond x = 1. Moreover, the abrupt change in elastic properties observed for x >1 can also be correlated to the structural transformation of the materials from their phase pure form to mixture phases for higher extent of substitution of the concerned material . Ca4(ANb2Ti)012 (A = Mg, Zn) is the strongest compound with the maximum values for elastic properties . This could be due to the possible substitution of Mg/Zn ions with lesser radius [25] than Ca2+ in perovskite B-site of Ca(Cali4Nb2i4Tili4) O3 material to contribute more ordering and symmetry to the system [20]. All other compositions (x > 1) contain mixed-phases and for such mixed-phase samples, the mechanical properties are difficult to explain.

Ultrasonic measurement of the elastic constants of selected nonlinear optical /semiorganic crystals with orthorhombic symmetry

Ultrasonic is a good tool to investigate the elastic properties of crystals. It enables one to determine all the elastic constants, Poisson’s ratios, volume compressibility and bulk modulus of crystals from velocity measurements. It also enables one to demonstrate the anisotropy of elastic properties by plotting sections of the surfaces of phase velocity, slowness, group velocity, Young’s modulus and linear compressibility along the a-b, b-c and a-c planes. They also help one to understand more about phonon amplification and help to interpret various phenomena associated with ultrasonic wave propagation, thermal conductivity, phonon transport etc. Study of nonlinear optical crystals is very important from an application point of view. Hundreds of new NLO materials are synthesized to meet the requirements for various applications. Inorganic, organic and organometallic or semiorganic classes of compounds have been studied for several reasons. Semiorganic compounds have some advantages over their inorganic and inorganic counterparts with regard to their mechanical properties. High damage resistance, high melting point, good transparency and non-hygroscopy are some of the basic requirements for a material to be suitable for device fabrication. New NLO materials are being synthesized and investigation of the mechanical and elastic properties of these crystals is very important to test the suitability of these materials for technological applications

Anisotropy in elastic properties of lithium sodium sulphate hexahydrate single crystal—An ultrasonic study

The double sulfate family (ABSO4), where A and B are alkali metal cations, is the object of great interest owing to the complexity and richness of its sequence of phase transition induced by temperature variation. A new sulfate salt characterized by the presence of water molecule in the unit cell with the chemical formula, Li2Na3(SO4)2⋅6H2O (LSSW), was obtained. The ultrasonic velocity measurement was done with pulse echo overlap technique [PEO]. All the six second order elastic stiffness constants, C11 = C22, C33, C44 = C55, C12, C14 and C13 = C23 are reported for the first time. The anisotropy in the elastic properties of the crystal are well explained by the pictorial representation of the polar plots of phase velocity, slowness, Young’s modulus and linear compressibility in a–b and a–c planes.

Elastic constant measurements of super ionic LiKSO4:Na single crystals

Elastic properties of sodium doped Lithium potassium sulphate, LiK0.9Na0.1SO4, crystal has been studied by ultrasonic Pulse Echo Overlap [PEO] technique and are reported for the first time. The controversy regarding the type of crystal found while growth is performed at 35 °C with equimolar fraction of Li2SO4H2O, K2SO4 and Na2SO4 has been resolved by studying the elastic properties. The importance of this crystal is that it exhibits pyroelectric, ferroelectric and electro optic properties. It is simultaneously ferroelastic and superionic. The elastic properties of LiK0.9Na0.1SO4 crystal are well studied by measuring ultrasonic velocity in the crystal in certain specified crystallographic directions and evaluating the elastic stiffness constants, compliance constants and Poisson’s ratios. The anisotropy in the elastic properties of the crystal are well explained by the pictorial representation of the surface plots of phase velocity, slowness and linear compressibility in a-b and a-c planes.

Ultrasonic measurement of the elastic properties of benzoyl glycine single crystals

Certain organic crystals are found to possess high non- linear optical coefficients,often one to two orders of magnitude higher than those of the well known inorganic non-linear optical materials.Benzoyl glycine is one such crystal whose optical second-harmonic generation efficiency is much higher than that of potassium dihydrogen phosphate. Single crystals of benzoyl glycine are grown by solvent evaporation technique using N,N-dimethyl formamide as the solvent.All the nine second-order elastic stiffness constants of this orthorhombic crystal are determined from ultrasonic wave velocity measurements employing the pulse echo overlap technique.The anisotropy of elastic wave propagation in this crystal is demonstrated by plotting the phase velocity, slowness,Young's modulus and linear compressibility surfaces along symmetry planes.The volume compressibility, bulk modulus and relevant Poisson's ratios are also determined. Variation of the diagonal elastic stiffness constants with temperature over a limited range are measured and reported.

Third order elastic constants of bcc Cu-Al-Ni

We have measured the changes in the ultrasonic wave velocity, induced by the application of uniaxial stresses in a Cu-Al-Ni single crystal. From these measurements, the complete set of third-order elastic constants has been obtained. The comparison of results for Cu-Al-Ni with available data for other Cu-based alloys has shown that all these alloys exhibit similar anharmonic behavior. By using the measured elastic constants in a Landau expansion for elastic phase transitions, we have been able to give an estimation of the value of a fourth-order elastic constants combination. The experiments have also shown that the application of a stress in the [001] direction, reduces the material resistance to a (110)[110] shear and thus favors the martensitic transition.

Elastic constants of Ni-Mn-Ga magnetic shape memory alloys

We have measured the adiabatic second order elastic constants of two Ni-Mn-Ga magnetic shape memory crystals with different martensitic transition temperatures, using ultrasonic methods. The temperature dependence of the elastic constants has been followed across the ferromagnetic transition and down to the martensitic transition temperature. Within experimental errors no noticeable change in any of the elastic constants has been observed at the Curie point. The temperature dependence of the shear elastic constant C' has been found to be very different for the two alloys. Such a different behavior is in agreement with recent theoretical predictions for systems undergoing multi-stage structural transitions.

Comment on "Reappraisal of experimental values of third-order elastic constants of some cubic semiconductors and metals"

In a recent paper A. S. Johal and D. J. Dunstan [Phys. Rev. B 73, 024106 (2006)] have applied multivariate linear regression analysis to the published data of the change in ultrasonic velocity with applied stress. The aim is to obtain the best estimates for the third-order elastic constants in cubic materials. From such an analysis they conclude that uniaxial stress data on metals turns out to be nearly useless by itself. The purpose of this comment is to point out that by a proper analysis of uniaxial stress data it is possible to obtain reliable values of third-order elastic constants in cubic metals and alloys. Cu-based shape memory alloys are used as an illustrative example.