Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Structural Response of Solids to Ultrashort Laser and XUV Pulses

The theoretical model and underlying physics described in this thesis are about the interaction of femtosecond-laser and XUV pulses with solids. The key to understand the basics of such interaction is to study the structural response of the materials after laser interaction. Depending on the laser characteristics, laser-solid interaction can result in a wide range of structural responses such as solid-solid phase transitions, vacuum phonon squeezing, ultrafast melting, generation of coherent phonons, etc. During my research work, I have modeled the systems irradiated by low-, medium- and high-laser intensities, and studied different types of structural dynamics of solids at various laser fluences.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

Gases, liquids and solids.

Este título se ha desarrollado específicamente para la enseñanza de la Química en el nuevo Nivel Avanzado (A2) de septiembre del año dos mil y aprobado por el OCR (uno de los tres órganos que ofrece la gama completa de las cualificaciones académicas y profesionales del Reino Unido). Está dividido en cuatro secciones:estados de la materia ; diagramas de fases ; distribución entre las fases ; ley de Raoult y destilación. El módulo se basa en el material del libro de texto Química 1, sin embargo, el material de apoyo se puede encontrar en la publicación Química 2. Al final de cada capítulo hay ejercicios con preguntas de autoevaluación para el estudio independiente. Tiene las respuestas a las preguntas de auto-evaluación, glosario, e índice .

A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

Valorisation of industrial wastes for the removal of metals and arsenic from aqueous effluents

En la presente tesis se han realizado estudios de eliminación de metales pesados y arsénico de aguas contaminadas mediante procesos de adsorción sobre materiales de bajo coste. Dichos materiales son, en todos los casos, subproductos de industrias agroalimentarias o metalúrgicas.La tesis consta de diferentes capítulos enmarcados en tres secciones: (i) Eliminación de cromo hexavalente y trivalente (ii) Eliminación de cationes divalentes de metales pesados en presencia de complejantes y en mezclas multimetálicas y (iii) Eliminación de arsénico utilizando un subproducto de la industria de cromados metálicos como adsorbente. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que ciertos residuos industriales pueden ser utilizados como adsorbentes en la detoxificación de efluentes contaminados con metales pesados. La tecnología propuesta representa una alternativa sostenible y de bajo coste frente a los tratamientos actuales más costosos y dependientes, en muchas ocasiones, de productos derivados del petróleo.

Pore anisotropy and microporosity in nanostructured mesoporous solids

In this study, we carried out an investigation related to the determination of the anisotropy (b) of pores as well as the extent of microporosity (mic%) in various groups of nanostructured mesoporous materials. The mesoporous materials examined were fifteen samples belonging to the following groups of solids: MCM-48s, SBA-15s, SBA-16s, and mesoporous TiO2 anatases. The porosities of those materials were modified either during preparation or afterward by the addition of Cu(II) species and/or 3(5)-(2-pyridinyl) pyrazole (PyPzH) into the pores. The modification of porosity in each group took place to make possible the internal comparison of the b and mic% values within each group. The estimation of both the b and mic% parameters took place from the corresponding nitrogen adsorption-desorption isotherms. The new proposed method is able to detect a percentage of microporosity as low as a few percent, which is impossible by any of the methods used currently, without the use of any reference sample or standard isotherms. A meaningful inverse relationship is apparent between the b and mic% values, indicating that large values of b correspond to small values of mic%.

Slicing of soft, flexible solids with industrial applications

Thin slices of soft flexible solids have negligible bending resistance and hence store negligible elastic strain energy; furthermore such offcuts are rarely permanently deformed after slicing. Cutting forces thus depend only on work of separation (toughness work) and friction. These simplifying assumptions are not as restrictive as it might seem, and the mechanics are found to apply to a wide variety of foodstuffs and biological materials. The fracture toughness of such materials may be determined from cutting experiments: the use of scissors instrumented for load and displacement is a popular method where toughness is obtained from the work areas beneath load–displacement plots. Surprisingly, there is no analysis for the variation of forces with scissor blade opening and this paper provides the theory. Comparison is made with experimental results in cutting with scissors. The analysis is generalised to cutting with blades of variable curvature and applied to a commercial food cutting device having a rotating spiral plan form blade. The strong influence of the ‘slice/push ratio’ (blade tangential speed to blade edge normal speed) on the cutting forces is revealed. Small cutting forces are important in food cutting machinery as damage to slices is minimised. How high slice/push ratios may be achieved by choice of blade profile is discussed.

Texture development in ice cream - effects of adding cocoa solids

Dynamic rheological techniques can aid the understanding of the factors contributing to ice cream structure, though the data obtained differs from that deduced from destructive techniques. Studies have shown that ice cream systems are both strain- and frequency-dependent. Chocolate ice cream is normally more viscous than the equivalent vanilla ice cream during mix preparation and has more body on freezing. Ice creams were prepared with and without cocoa solids and frequency sweeps were made from 0.1 to 100 Hz at 0.1% strain. With rapidly frozen ice creams, both G' and G" increased in the presence of cocoa solids. Comparison of mixes made with and without low-fat cocoa powder or non-gelatinizing starch demonstrated a similar relationship, with higher apparent viscosities in those mixes containing either cocoa powder or the starch. The results were consistent with the cocoa particles adding to the effect of the fat globules in increasing viscosity.

A stress relaxation model for the viscoelastic solids based on the steady-state creep equation

Creep and stress relaxation are inherent mechanical behaviors of viscoelastic materials. It is considered that both are different performances of one identical physical phenomenon. The relationship between the decay stress and time during stress relaxation has been derived from the power law equation of the steady-state creep. The model was used to analyse the stress relaxation curves of various different viscoelastic materials (such as pure polycrystalline ice, polymers, foods, bones, metal, animal tissues, etc.). The calculated results using the theoretical model agree with the experimental data very well. Here we show that the new mathematical formula is not only simple but its parameters have the clear physical meanings. It is suitable to materials with a very broad scope and has a strong predictive ability.

CONTRA: Improving the performance of dynamic investigations in natural abundance organic solids by mirror-symmetric constant-time CODEX

We present a minor but essential modification to the CODEX 1D-MAS exchange experiment. The new CONTRA method, which requires minor changes of the original sequence only, has advantages over the previously introduced S-CODEX, since it is less sensitive to artefacts caused by finite pulse lengths. The performance of this variant, including the finite pulse effect, was confirmed by SIMPSON calculations and demonstrated on a number of dynamic systems. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.