Studies of the equation of state and elasticity of mantle minerals

Because the Earth’s upper mantle is inaccessible to us, in order to understand the chemical and physical processes that occur in the Earth’s interior we must rely on both experimental work and computational modeling. This thesis addresses both of these geochemical methods. In the first chapter, I develop an internally consistent comprehensive molar volume model for spinels in the oxide system FeO-MgO-Fe₂O₃-Cr₂O₃-Al₂O₃-TiO₂. The model is compared to the current MELTS spinel model with a demonstration of the impact of the model difference on the estimated spinel-garnet lherzolite transition pressure. In the second chapter, I calibrate a molar volume model for cubic garnets in the system SiO₂-Al₂O₃-TiO₂-Fe₂O₃-Cr₂O₃-FeO-MnO-MgO-CaO-Na₂O. I use the method of singular value analysis to calibrate excess volume of mixing parameters for the garnet model. The implications the model has for the density of the lithospheric mantle are explored. In the third chapter, I discuss the nuclear inelastic X-ray scattering (NRIXS) method, and present analysis of three orthopyroxene samples with different Fe contents. Longitudinal and shear wave velocities, elastic parameters, and other thermodynamic information are extracted from the raw NRIXS data.

Self-photopumped neonlike x-ray laser

We propose a new x-ray laser mechanism that uses radiation from the strongest 3d --> 2p Ne-like resonance line in an optically thick plasma to radiatively drive population from the Ne-like ground state to the 3d state, which then lases to two 3p states. Collisional mixing of the 3p states with nearby 3s and 3d states depopulates the lower laser states. Modeling is presented for this mechanism in Ne-like Ar, and in experiments we observe one potential 3d --> 3p lasing transition at 45.1 nm in Ne-like Ar. (C) 1996 Optical Society of America

Liquid silicate equation of state : using shock waves to understand the properties of the deep Earth

The equations of state (EOS) of several geologically important silicate liquids have been constrained via preheated shock wave techniques. Results on molten Fe₂SiO₄ (fayalite), Mg₂SiO₄ (forsterite), CaFeSi₂O₆ (hedenbergite), an equimolar mixture of CaAl₂Si₂O₈-CaFeSi₂O₆ (anorthite-hedenbergite), and an equimolar mixture of CaAl₂Si₂O₈-CaFeSi₂O₆-CaMgSi₂O₆(anorthite-hedenbergite-diopside) are presented. This work represents the first ever direct EOS measurements of an iron-bearing liquid or of a forsterite liquid at pressures relevant to the deep Earth (> 135 GPa). Additionally, revised EOS for molten CaMgSi₂O₆ (diopside), CaAl₂Si₂O₈ (anorthite), and MgSiO₃ (enstatite), which were previously determined by shock wave methods, are also presented.

The liquid EOS are incorporated into a model, which employs linear mixing of volumes to determine the density of compositionally intermediate liquids in the CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-FeO major element space. Liquid volumes are calculated for temperature and pressure conditions that are currently present at the core-mantle boundary or that may have occurred during differentiation of a fully molten mantle magma ocean.

The most significant implications of our results include: (1) a magma ocean of either chondrite or peridotite composition is less dense than its first crystallizing solid, which is not conducive to the formation of a basal mantle magma ocean, (2) the ambient mantle cannot produce a partial melt and an equilibrium residue sufficiently dense to form an ultralow velocity zone mush, and (3) due to the compositional dependence of Fe2+ coordination, there is a threshold of Fe concentration (molar X_Fe ≤ 0.06) permitted in a liquid for which its density can still be approximated by linear mixing of end-member volumes.

Experimental and theoretical developments in extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy

To obtain accurate information from a structural tool it is necessary to have an understanding of the physical principles which govern the interaction between the probe and the sample under investigation. In this thesis a detailed study of the physical basis for Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectroscopy is presented. A single scattering formalism of EXAFS is introduced which allows a rigorous treatment of the central atom potential. A final state interaction formalism of EXAFS is also discussed. Multiple scattering processes are shown to be significant for systems of certain geometries. The standard single scattering EXAFS analysis produces erroneous results if the data contain a large multiple scattering contribution. The effect of thermal vibrations on such multiple scattering paths is also discussed. From symmetry considerations it is shown that only certain normal modes contribute to the Debye-Waller factor for a particular scattering path. Furthermore, changes in the scattering angles induced by thermal vibrations produces additional EXAFS components called modification factors. These factors are shown to be small for most systems.

A study of the physical basis for the determination of structural information from EXAFS data is also presented. An objective method of determining the background absorption and the threshold energy is discussed and involves Gaussian functions. In addition, a scheme to determine the nature of the scattering atom in EXAFS experiments is introduced. This scheme is based on the fact that the phase intercept is a measure of the type of scattering atom. A method to determine bond distances is also discussed and does not require the use of model compounds or calculated phase shifts. The physical basis for this method is the absence of a linear term in the scattering phases. Therefore, it is possible to separate these phases from the linear term containing the distance information in the total phase.

A Q-swicthed all-solid-state single-longitudinal-mode laser with adjustable pulse-width and high repetition rate

A single-longitudinal-mode (SLM) laser-diode pumped Nd: YAG laser with adjustable pulse width is developed by using the techniques of pre-lasing and changing polarization of birefingent crystal. The Q-switching voltage is triggered by the peak of the pre-lasing pulse to achieve the higher stability of output pulse energy. The output energy of more than 1 mJ is obtained with output energy stability of 3% (rms) at 100 Hz. The pulse-width can be adjusted from 30 ns to 300 ns by changing the Q-switching voltage. The probability of putting out single-longitudinal-mode pulses is almost 100%. The laser can be run over four hours continually without mode hopping.

A kilowatt diode-pumped solid-state heat-capacity double-slab laser

A kilowatt diode-pumped solid state heat capacity laser is fabricated with a double-slab Nd:YAG. Using the theoretical model of heat capacity laser output laser characteristics, the relationships between the output power, temperature and time are obtained. The slab is 59 x 40 4.5mm(3) in size. The average pump power is 11.2kW, the repetition rate is 1kHz, and the duty cycle 20%. During the running time of 1s, the output energy of the laser has a fluctuation with the maximal output energy at 2.06J, and the maximal output average power is 2.06kW. At the end of the second, the output energy declines to about 50% compared to the beginning. The thermal effects can be improved with one slab cooled by water. The experimental results are consistent with calculation data.

Solid-state NMR study of bioactive binary borosilicate glasses

A series of binary borosilicate glasses prepared by the sol-gel method are shown to be bioactive. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) and trimethylborate (TMB) in acidic medium are used to prepare xB(2)O(3)center dot(1-x)SiO2 glass systems for x = 0.045-0.167. The formation of a layer of apatite-like mineral on the glass surface becomes apparent after soaking in simulated body fluid for 48 h. We have measured the B-11-B-11 homonuclear second moments of the borosilicate glasses and inferred that no macroscopic phase separation occurred in our glasses. The B-11 chemical shift data also show that the formation of clustered boroxol rings is negligible in our glass system. Although the bioactivity of our borosilicate glasses is less than that of CaO-SiO2 sol-gel glasses, these simple binary systems could be taken as reference glass systems for the search of new bioactive borosilicate glasses. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Análise clínica e molecular em indivíduos com deficiência mental idiopática no Maranhão: diagnóstico diferencial da síndrome do X frágil

O retardo mental (RM) representa um problema de saúde pública mundial ainda negligenciado no Brasil e, em especial nas regiões mais pobres como o Nordeste. A síndrome do X frágil (SXF) é uma das formas mais estudadas de RM hereditário em seres humanos. Esta doença monogênica, de herança ligada ao X dominante, é decorrente de uma mutação no exon 1 do gene FMR1, localizado na região Xq27.3. A mutação no FMR1 se caracteriza pelo aumento de repetições de trinucleotídios CGG em tandem na região 5 UTR desse gene, sendo a expansão dessas trincas o principal evento mutacional responsável pela SXF. De maneira geral, os fenótipos cognitivos de indivíduos do sexo masculino com a síndrome incluem deficiência intelectual de moderada à grave. No presente trabalho, realizamos um estudo transversal da SXF em indivíduos portadores de retardo mental de causa desconhecida, engajados em Programas de Educação Especial e em instituições psiquiátricas de São Luís-MA, rastreando amplificações de sequências trinucleotídicas no gene FMR1. A amostra foi composta por 238 indivíduos do sexo masculino, não aparentados, na faixa etária de 4 a 60 anos (média = 21 9 anos). O DNA dos participantes foi obtido a partir de 5 mL de sangue coletados em tubos com anti-coagulante EDTA e a análise molecular da região gênica de interesse foi realizada através da reação em cadeia da polimerase, utilizando-se três primers. Dentre os indivíduos triados quanto à presença de mutações no gene FMR1, apenas um apresentou um resultado inconclusivo e 2 (0,84%) foram positivos para a SXF, sendo que um deles (3503) apresentou mais de 200 repetições CGG no locus FRAXA e o outro indivíduo (3660) apresentou uma deleção de ~197 pb envolvendo parte das repetições CGG e uma região proximal às repetições CGG. Ambos possuíam história familiar de RM ligado ao X. No indivíduo 3503 observamos as seguintes características clínicas: temperamento dócil, orelhas grandes, mandíbula proeminente e flacidez ligamentar. O indivíduo 3660 apresentava hiperatividade, contato pobre com os olhos, orelhas grandes, mandíbula proeminente, pectus excavatum, macroorquidismo e pouca comunicação. O esclarecimento sobre a doença oferecido às famílias de ambos contribuiu sobremaneira para o entendimento da condição, do prognóstico e dos riscos de recorrência. A prevalência da SXF em nossa amostra, 0,84%, embora relativamente baixa, encontra-se na faixa de incidência de casos diagnosticados em outras populações que, em sua maioria, relatam incidências variando de 0 a 3%. Em parte, atribuímos o percentual encontrado aos critérios de inclusão utilizados em nosso estudo. Concluímos que o protocolo de triagem molecular utilizado em nosso estudo se mostrou eficiente e adequado para a realidade do Maranhão, podendo constituir uma ferramenta auxiliar a ser aplicada na avaliação de rotina dos portadores de RM, com grandes benefícios para o Estado.

Identificação da formação de titanato de bário a partir de mistura reacional calcinada em diferentes temperaturas via difração de raios X, espectroscopia fotoacústica e análise térmica

Os materiais ferroelétricos têm sido utilizados em muitas áreas da tecnologia e da ciência, pois possuem um grande número de aplicações, como: sensores; transdutores; capacitores; dispositivos ópticos; dentre outras. A busca por novos materiais cerâmicos ferroelétricos tem sido grande. Um dos materiais cerâmicos ferroelétricos mais estudados é o titanato de bário (BT). São vários os métodos de produção e caracterização do titanato de bário. Neste trabalho, pós cerâmicos de titanato de bário foram obtidos por reação do estado sólido a partir de misturas reacionais calcinadas em diferentes temperaturas entre 400C e 900C. Foram três as misturas reacionais: não dopadas; dopadas com 1%; e dopadas com 5% de dióxido de cério (CeO2). A identificação da formação do BT, nos pós cerâmicos produzidos, foi feita a partir de três técnicas de caracterização: difração de raios X (DRX); espectroscopia fotoacústica (PAS); e técnicas de análise térmica. Com a técnica DRX, difratogramas mostraram que a plena formação do titanato de bário ocorreu a partir da temperatura de calcinação de 700C. Para a amostra não dopada com cério e calcinada a 800C, houve deslocamento de todos os picos de difração. Nas amostras dopadas com dióxido de cério houve deslocamento de todos os picos de difração, em relação as amostras não dopadas. Observou-se também que nas amostras dopadas com 5% de CeO2, e calcinadas a 700C e 800C, resíduos de dióxido de cério foram observados nos difratogramas. Com a técnica PAS, espectros de absorção foram obtidos. Foi possível observar uma grande diferença de absorção da amostra calcinada a 600 e 630C, indicando a formação do titanato de bário a partir da temperatura de 630C, nas amostras sem a dopagem dióxido de cério. Houve um alargamento nas bandas de absorção a partir da temperatura de 600C, quando o dióxido de cério entrou na matriz. Foi também possível determinar as energias de band-gap das amostras utilizando o método de Tauc. Com as técnicas de análise térmica, em especial através da técnica termogravimétrica (TG/DTG), foi comprovado que até 400C não havia formação de titanato de bário. Visto que nesta temperatura de calcinação houve a maior perda de massa durante a rampa de aquecimento. O início da formação do titanato de bário foi observado a partir da temperatura de calcinação de 500C, assim como nas técnicas DRX e PAS. Portanto, com os resultados apresentados, foi demonstrada a identificação da formação do titanato de bário nas misturas reacionais calcinadas, com auxílio das potencialidades das três técnicas utilizadas.

Investigação de alterações em genes de microRNAs expressos no cérebro como causa de deficiência intelectual ligada ao cromossomo X

A Deficiência Intelectual (DI) é uma condição definida como um funcionamento intelectual significativamente prejudicado, expresso juntamente com limitações em pelo menos duas áreas do comportamento adaptativo que se manifestam antes dos 18 anos de idade. A prevalência estimada da DI na população em geral é de 2-3% e um número expressivo de casos permanece sem um diagnóstico definitivo. Há um consenso geral de que a DI é mais comum em indivíduos do sexo masculino em relação aos do sexo feminino. Entre as explicações para este excesso está a concentração de genes específicos para a habilidade cognitiva no cromossomo X. MicroRNAs (miRNAs) são pequenas moléculas de RNA não codificador que modulam a expressão gênica pós-transcricional de RNAs mensageiros alvo. Recentemente, estudos têm demonstrado a importância essencial dos miRNAs para o desenvolvimento e funcionamento cerebrais e sabe-se que o cromossomo X tem uma alta densidade de genes de miRNAs. Neste contexto, os miRNAs são candidatos potenciais como fatores genéticos envolvidos na Deficiência Intelectual Ligada ao X (DILX). Neste estudo, foram analisadas as regiões genômicas de 17 genes de miRNAs expressos no cérebro localizados no cromossomo X, com o objetivo de investigar o possível envolvimento de variantes na sequência destes miRNAs na DILX. Para este fim, selecionamos amostras de DNA genômico (sangue periférico) de 135 indivíduos do sexo masculino portadores de DI sugestiva de DILX de um grupo de mais de 1.100 pacientes com DI encaminhados ao Serviço de Genética Humana da UERJ. O critério de inclusão para este estudo era de que os probandos apresentassem um ou mais parentes do sexo masculino afetados pela DI que fossem interligados por via materna. As amostras de DNA dos pacientes foram amplificadas utilizando a técnica de reação em cadeia da polimerase, seguida por purificação e sequenciamento direto pelo método de Sanger dos fragmentos amplificados. Para avaliar a conservação dos 17 miRNAs foi realizada uma análise filogenética in silico incluindo sequências dos miRNAs selecionados de humanos e de outras 8 espécies de primatas estreitamente relacionadas. Não foram encontradas alterações nas sequências nos genes de 17 miRNAs analisados, mesmo diante do padrão genético altamente heterogêneo da população brasileira. Adicionalmente, a análise filogenética destes miRNAs revelou uma alta conservação entre as espécies comparadas. Considerando o papel dos miRNAs como reguladores da expressão gênica, a ausência de alterações e a alta conservação entre primatas sugerem uma forte pressão seletiva sobre estas moléculas, reforçando a sua importância funcional para o organismo em geral. Apesar de não termos encontrado variantes de sequência nos miRNAs estudados, o envolvimento de miRNAs na DI não pode ser completamente descartado. Alterações fora da molécula de miRNA precursor, nos fatores de processamento, nos sítios alvo e variações no número de cópias de genes de miRNAs podem implicar em alteração na expressão dos miRNAs e, consequentemente, na funcionalidade do miRNA maduro. Sendo assim, uma análise sistemática da expressão de miRNAs em pacientes com DILX é urgentemente necessária, a fim de desvendar novos genes/mecanismos moleculares relacionados a esta condição.

Solid-state memories based on ferroelectric tunnel junctions.

Ferroic-order parameters are useful as state variables in non-volatile information storage media because they show a hysteretic dependence on their electric or magnetic field. Coupling ferroics with quantum-mechanical tunnelling allows a simple and fast readout of the stored information through the influence of ferroic orders on the tunnel current. For example, data in magnetic random-access memories are stored in the relative alignment of two ferromagnetic electrodes separated by a non-magnetic tunnel barrier, and data readout is accomplished by a tunnel current measurement. However, such devices based on tunnel magnetoresistance typically exhibit OFF/ON ratios of less than 4, and require high powers for write operations (>1 × 10(6) A cm(-2)). Here, we report non-volatile memories with OFF/ON ratios as high as 100 and write powers as low as ∼1 × 10(4) A cm(-2) at room temperature by storing data in the electric polarization direction of a ferroelectric tunnel barrier. The junctions show large, stable, reproducible and reliable tunnel electroresistance, with resistance switching occurring at the coercive voltage of ferroelectric switching. These ferroelectric devices emerge as an alternative to other resistive memories, and have the advantage of not being based on voltage-induced migration of matter at the nanoscale, but on a purely electronic mechanism.

Solid-state memories based on ferroelectric tunnel junctions

Ferroic-order parameters are useful as state variables in non-volatile information storage media because they show a hysteretic dependence on their electric or magnetic field. Coupling ferroics with quantum-mechanical tunnelling allows a simple and fast readout of the stored information through the influence of ferroic orders on the tunnel current. For example, data in magnetic random-access memories are stored in the relative alignment of two ferromagnetic electrodes separated by a non-magnetic tunnel barrier, and data readout is accomplished by a tunnel current measurement. However, such devices based on tunnel magnetoresistance typically exhibit OFF/ON ratios of less than 4, and require high powers for write operations (>1 × 10 6 A cm -2). Here, we report non-volatile memories with OFF/ON ratios as high as 100 and write powers as low as ∼1 × 10 4A cm -2 at room temperature by storing data in the electric polarization direction of a ferroelectric tunnel barrier. The junctions show large, stable, reproducible and reliable tunnel electroresistance, with resistance switching occurring at the coercive voltage of ferroelectric switching. These ferroelectric devices emerge as an alternative to other resistive memories, and have the advantage of not being based on voltage-induced migration of matter at the nanoscale, but on a purely electronic mechanism. © 2012 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.