Evaluation of a simple disposable microband electrode device for amperometric gas sensing

We report a simple and facile methodology for constructing Pt (6.3 mm x 50 mu m) and Cu (6.3 mm x 30 mu m) annular microband electrodes for use in room temperature ionic liquids (RTILs) and propose their use for amperometric gas sensing. The suitability of microband electrodes for use in electrochemical analysis was examined in experiments on two systems. The first system studied to validate the electrochemical responses of the annular microband electrode was decamethylferrocene (DmFc), as a stable internal reference probe commonly used in ionic liquids, in [Pmim][NTf2], where the diffusion coefficients of DmFc and DmFc(+) and the standard electron rate constant for the DmFc/DmFc(+) couple were determined through fitting chronoamperometric and cyclic voltammetric responses with relevant simulations. These values are independently compared with those collected from a commercially available Pt microdisc electrode with excellent agreement. The second system focuses on O-2 reduction in [Pmim][NTf2], which is used as a model for gas sensing. The diffusion coefficients of O-2 and O-2(-) and the electron transfer rate constant were again obtained using chronoamperometry and cyclic voltammetry, along with simulations. Results determined from the microbands are again consistent to those evaluated from the Pt microdisc electrode when compared these results from home-made microband and commercially available microdisc electrodes. These observations indicate that the fabricated annular microband electrodes are suitable for quantitative measurements. Further the successful use of the Cu electrodes in the O-2 system suggests a cheap disposable sensor for gas detection. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microelectrode Voltammetry of Dioxygen Reduction in a Phosphonium Cation-Based Room-Temperature Ionic Liquid: Quantitative Studies

Microelectrode voltammetry is used to study the electrochemical reduction of dioxygen, O-2, in the room-temperature ionic liquid trihexyl(tetradecyl)phosphonium trifluorotris(pentafluoroethyl)phosphate [P6,6,6,14][FAP]. The nature of the unusual voltammetric waves is quantitatively modeled via digital simulation with the aim of clarifying apparent inconsistencies in the literature. The reduction is shown to proceed via a two-electron reaction and involve the likely capture of a proton from the solvent system. The oxidative voltammetric signals seen at fast scan rates are interpreted as resulting from the reoxidation of HO2 center dot. In the presence of large amounts of dissolved carbon dioxide the reductive currents decrease by a factor of ca. two, consistent with the trapping of the superoxide radical, O-2(center dot), intermediate in the two-electron reduction process.

One-Electron Reduction of 2-Nitrotoluene, Nitrocyclopentane, and 1-Nitrobutane in Room Temperature Ionic Liquids: A Comparative Study of Butler–Volmer and Symmetric Marcus–Hush Theories Using Microdisk Electrodes

The voltammetry for the reduction of 2-nitrotoluene at a gold microdisk electrode is reported in two ionic liquids: trihexyltetradecylphosphonium tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate ([P-14,P-6,P-6,P-6][FAP]) and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide ([Emim][NTf2]). The reduction of nitrocyclopentane (NCP) and 1-nitrobutane (BuN) was investigated using voltammetry at a gold microdisk electrode in the ionic liquid [P-14,P-6,P-6,P-6][FAP]. Simulated voltammograms, generated through the use of ButlerVolmer theory and symmetric MarcusHush theory, were compared to experimental data, with both theories parametrizing the data similarly well. An experimental value for the Marcusian parameter, 1 was also determined in all cases. For the reduction of 2-nitrotoluene, this was 0.5 +/- 0.1 eV in both solvents, while for NCP and BuN in [P-14,P-6,P-6,P-6][FAP], it was 2 +/- 0.1 and 5 +/- 0.1 eV, respectively. This is attributed to the localization of charge on the nitro group and the primary nitro alkyls increased interaction with the environment, resulting in a larger reorganization energy.

Sustainability study of the application of geosynthetic clay liners in hostile and aggressive environments

This paper discusses the sustainable performance of geosynthetic clay liners (GCLs) which are popularly specified as “leachate retaining” or as “water proofing” membranes in the geo-environmental construction industry. Geosynthetic clay liners (GCLs) are composite matting comprising of bentonite clay with two covering geosynthetics. These are innovative labour saving construction material, developed over the last three decades. The paper outlines the variety of Geosynthetic Clay Liners (GCLs) can be classified essentially into two distinctly different forms viz; (a) air dry (< 8% m/c) with granular or powdered bentonite or (b) bentonite cake factory prehydrated to a moisture content (~40% m/c) beyond its shrinkage limit and vacuum extruded as a clay cake to enhance its sustainable performance. The dominant mineral in bentonite clay is the three-layered (2:1) clay mineral montmorillonite. High quality bentonites need to be used in the GCL manufacture. Sodium montmorillonite has the desired characteristic of high swelling capacity, high cation exchange capacity and the consequently very low hydraulic conductivity, providing the basis for the hydraulic sealing medium in GCLs. These encapsulate the active montmorillonite clay minerals which depend on the water and chemical balance between the sealing element and the surrounding geo environment. Quantitative mineralogical analyses and an assessment of the adsorbed cation regime, diffusion coefficients and clay leachate compatibility must necessarily be an integral part of the site appraisal to ensure acceptable long term sustainability and performance. Factors influencing the desired performance of bentonite in the GCLs placed in difficult construction and hostile chemical environments are discussed in this paper. Accordingly, the performance specifications for GCLs are identified and the appropriateness of enhancing the cation exchange capacity with polymer treatment and the need for factory prehydration of the untreated sodium bentonite is emphasised. The advantage of factory prehydrating the polymer treated bentonite to fluid content beyond its shrinkage limit and subsequently factory processing it to develop laminated clay is to develop a GCL that has enviable sealing characteristics with a greater resistance to geochemical attack and cracking. Since clay liners are buried in the ground as base liners, capping layer or as structural water proofing membrane, they can easily avoid strict quality and performance monitoring being “out of sight, out of mind!”. It is very necessary that barrier design for leachate containment must necessarily be in accordance with legislative requirement Assessment of long term hydraulic conductivities and clay-leachate compatibility assessment is deemed necessary. The derogatory factors affecting the sustainable performance of the bentonite in GCLs placed in difficult construction and hostile chemical environments are discussed. Sustainability concepts incorporated in waste management practice must aim to achieve 100% recycling and fully implement the handling of solid waste in developing countries with relatively lower labour costs.

Electrochemical methodology to study labile trace metal/natural organic matter complexation at low concentration levels in natural waters

A new electrochemical methodology to study labile trace metal/natural organic matter complexation at low concentration levels in natural waters is presented. This methodology consists of three steps: (i) an estimation of the complex diffusion coefficient (DML), (ii) determination at low pH of the total metal concentration initially present in the sample, (iii) a metal titration at the desired pH. The free and bound metal concentrations are determined for each point of the titration and modeled with the non-ideal competitive adsorption (NICA-Donnan) model in order to obtain the binding parameters. In this methodology, it is recommended to determine the hydrodynamic transport parameter, α, for each set of hydrodynamic conditions used in the voltammetric measurements. The methodology was tested using two fractions of natural organic matter (NOM) isolated from the Loire river, namely the hydrophobic organic matter (HPO) and the transphilic organic matter (TPI), and a well characterized fulvic acid (Laurentian fulvic acid, LFA). The complex diffusion coefficients obtained at pH 5 were 0.4 ± 0.2 for Pb and Cu/HPO, 1.8 ± 0.2 for Pb/TPI and (0.612 ± 0.009) × 10−10 m2 s−1 for Pb/LFA. NICA-Donnan parameters for lead binding were obtained for the HPO and TPI fractions. The new lead/LFA results were successfully predicted using parameters derived in our previous work.

Development of chitosan packaging films with carvacrol and grape seed extract as antimicrobial and antioxidant agents

In order to produce packaging films with a broad spectrum of action on microorganisms, the effect of two antimicrobial (AM) to be included in the films, carvacrol and GSE were studied separately on different microorganisms. Carvacrol was more effective against the grampositive bacteria than against the gram-negative bacterium. GSE was not effective against yeast. Subsequently, a search for optimal combinations of carvacrol, GSE and the addition of chitosan (as a third component with film forming properties) was carried out. Response surface analysis showed several synergetic effects and three optimal AM combinations (OAMC) were obtained for each microorganism. The experimental validation confirmed that the optimal solutions found can successfully predict the response for each microorganism. The optimization of mixtures of the three components, but this time, using the same concentration for all microorganisms, was also studied to obtain an OAMC with wide spectrum of activity. The results of the response surface analysis showed several synergistic effects for all microorganisms. Three OAMC, OAMC-1, OAMC-2, OAMC-3, were found to be the optimal mixtures for all microorganisms. The radical scavenging activity (RSA) of the different agents was then compared with a standard antioxidant (AOX) BHT, at different concentrations; as also at the OAMC. The RSA increased in the following order: chitosandiffusion coefficients, assumed to be Arrhenius temperature dependent were obtained for each film. This work will contribute to the development of environmentally friendly packaging films, resulting in improved food preservation and shelf-life extension.

Étude des propriétés de transport dans les hydrogels de curdlan

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.

Le rendu en demi-ton avec sensibilité à la structure

Dans ce mémoire nous allons présenter une méthode de diffusion d’erreur originale qui peut reconstruire des images en demi-ton qui plaisent à l’œil. Cette méthode préserve des détails fins et des structures visuellement identifiables présentes dans l’image originale. Nous allons tout d’abord présenter et analyser quelques travaux précédents afin de montrer certains problèmes principaux du rendu en demi-ton, et nous allons expliquer pourquoi nous avons décidé d’utiliser un algorithme de diffusion d’erreur pour résoudre ces problèmes. Puis nous allons présenter la méthode proposée qui est conceptuellement simple et efficace. L’image originale est analysée, et son contenu fréquentiel est détecté. Les composantes principales du contenu fréquentiel (la fréquence, l’orientation et le contraste) sont utilisées comme des indices dans un tableau de recherche afin de modifier la méthode de diffusion d’erreur standard. Le tableau de recherche est établi dans un étape de pré-calcul et la modification est composée par la modulation de seuil et la variation des coefficients de diffusion. Ensuite le système en entier est calibré de façon à ce que ces images reconstruites soient visuellement proches d’images originales (des aplats d’intensité constante, des aplats contenant des ondes sinusoïdales avec des fréquences, des orientations et des constrastes différents). Finalement nous allons comparer et analyser des résultats obtenus par la méthode proposée et des travaux précédents, et démontrer que la méthode proposée est capable de reconstruire des images en demi-ton de haute qualité (qui préservent des structures) avec un traitement de temps très faible.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Effect of polymer architecture on Curcumin 1 encapsulation and release from PEGylated polymer nanoparticles: toward a drug delivery nano-platform to the CNS

We developed a nanoparticles (NPs) library from poly(ethylene glycol)–poly lactic acid comb-like polymers with variable amount of PEG. Curcumin was encapsulated in the NPs with a view to develop a delivery platform to treat diseases involving oxidative stress affecting the CNS. We observed a sharp decrease in size between 15 and 20% w/w of PEG which corresponds to a transition from a large solid particle structure to a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure. Drug loading, loading efficacy and release kinetics were determined. The diffusion coefficients of curcumin in NPs were determined using a mathematical modeling. The higher diffusion was observed for solid particles compared to “polymer nano-aggregate” particles. NPs did not present any significant toxicity when tested in vitro on a neuronal cell line. Moreover, the ability of NPs carrying curcumin to prevent oxidative stress was evidenced and linked to polymer architecture and NPs organization. Our study showed the intimate relationship between the polymer architecture and the biophysical properties of the resulting NPs and sheds light on new approaches to design efficient NP-based drug carriers.

Diffusive transport properties in monovalent and divalent metal-ion halide melts: A computer simulation study

Self- and cross-velocity correlation functions and related transport coefficients of molten salts are studied by molecular-dynamics simulation. Six representative systems are considered, i.e., NaCl and KCl alkali halides, CuCl and CuBr noble-metal halides, and SrCl2 and ZnCl2 divalent metal-ion halides. Computer simulation results are compared with experimental self-diffusion coefficients and electrical conductivities. Special attention is paid to dynamic cross correlations and their dependence on the Coulomb interactions as well as on the size and mass differences between anions and cations.

From a discrete to a continuum model of cell dynamics in one dimension

Multiscale modeling is emerging as one of the key challenges in mathematical biology. However, the recent rapid increase in the number of modeling methodologies being used to describe cell populations has raised a number of interesting questions. For example, at the cellular scale, how can the appropriate discrete cell-level model be identified in a given context? Additionally, how can the many phenomenological assumptions used in the derivation of models at the continuum scale be related to individual cell behavior? In order to begin to address such questions, we consider a discrete one-dimensional cell-based model in which cells are assumed to interact via linear springs. From the discrete equations of motion, the continuous Rouse [P. E. Rouse, J. Chem. Phys. 21, 1272 (1953)] model is obtained. This formalism readily allows the definition of a cell number density for which a nonlinear "fast" diffusion equation is derived. Excellent agreement is demonstrated between the continuum and discrete models. Subsequently, via the incorporation of cell division, we demonstrate that the derived nonlinear diffusion model is robust to the inclusion of more realistic biological detail. In the limit of stiff springs, where cells can be considered to be incompressible, we show that cell velocity can be directly related to cell production. This assumption is frequently made in the literature but our derivation places limits on its validity. Finally, the model is compared with a model of a similar form recently derived for a different discrete cell-based model and it is shown how the different diffusion coefficients can be understood in terms of the underlying assumptions about cell behavior in the respective discrete models.

Influence of the solvent on the self-assembly of a modified amyloid beta peptide fragment. II. NMR and computer simulation investigation

The conformation of a model peptide AAKLVFF based on a fragment of the amyloid beta peptide A beta 16-20, KLVFF, is investigated in methanol and water via solution NMR experiments and Molecular dynamics computer simulations. In previous work, we have shown that AAKLVFF forms peptide nanotubes in methanol and twisted fibrils in water. Chemical shift measurements were used to investigate the solubility of the peptide as a function of concentration in methanol and water. This enabled the determination of critical aggregation concentrations, The Solubility was lower in water. In dilute solution, diffusion coefficients revealed the presence of intermediate aggregates in concentrated solution, coexisting with NMR-silent larger aggregates, presumed to be beta-sheets. In water, diffusion coefficients did not change appreciably with concentration, indicating the presence mainly of monomers, coexisting with larger aggregates in more concentrated solution. Concentration-dependent chemical shift measurements indicated a folded conformation for the monomers/intermediate aggregates in dilute methanol, with unfolding at higher concentration. In water, an antiparallel arrangement of strands was indicated by certain ROESY peak correlations. The temperature-dependent solubility of AAKLVFF in methanol was well described by a van't Hoff analysis, providing a solubilization enthalpy and entropy. This pointed to the importance of solvophobic interactions in the self-assembly process. Molecular dynamics Simulations constrained by NOE values from NMR suggested disordered reverse turn structures for the monomer, with an antiparallel twisted conformation for dimers. To model the beta-sheet structures formed at higher concentration, possible model arrangements of strands into beta-sheets with parallel and antiparallel configurations and different stacking sequences were used as the basis for MD simulations; two particular arrangements of antiparallel beta-sheets were found to be stable, one being linear and twisted and the other twisted in two directions. These structures Were used to simulate Circular dichroism spectra. The roles of aromatic stacking interactions and charge transfer effects were also examined. Simulated spectra were found to be similar to those observed experimentally.(in water or methanol) which show a maximum at 215 or 218 nm due to pi-pi* interactions, when allowance is made for a 15-18 nm red-shift that may be due to light scattering effects.

Classifying general nonlinear force laws in cell-based models via the continuum limit

though discrete cell-based frameworks are now commonly used to simulate a whole range of biological phenomena, it is typically not obvious how the numerous different types of model are related to one another, nor which one is most appropriate in a given context. Here we demonstrate how individual cell movement on the discrete scale modeled using nonlinear force laws can be described by nonlinear diffusion coefficients on the continuum scale. A general relationship between nonlinear force laws and their respective diffusion coefficients is derived in one spatial dimension and, subsequently, a range of particular examples is considered. For each case excellent agreement is observed between numerical solutions of the discrete and corresponding continuum models. Three case studies are considered in which we demonstrate how the derived nonlinear diffusion coefficients can be used to (a) relate different discrete models of cell behavior; (b) derive discrete, intercell force laws from previously posed diffusion coefficients, and (c) describe aggregative behavior in discrete simulations.

Determination of eddy-diffusivity in the lowermost stratosphere

We present a 2D-advection-diffusion model that simulates the main transport pathways influencing tracer distributions in the lowermost stratosphere (LMS). The model describes slow diabatic descent of aged stratospheric air, vertical (cross-isentropic) and horizontal (along isentropes) diffusion within the LMS and across the tropopause using equivalent latitude and potential temperature coordinates. Eddy diffusion coefficients parameterize the integral effect of dynamical processes leading to small scale turbulence and mixing. They were specified by matching model simulations to observed CO distributions. Interestingly, the model suggests mixing across isentropes to be more important than horizontal mixing across surfaces of constant equivalent latitude, shining new light on the interplay between various transport mechanisms in the LMS. The model achieves a good description of the small scale tracer features at the tropopause with squared correlation coefficients R2 = 0.72…0.94.