Deposition of thin films by a non-equilibrium atmospheric pressure Plasma Jet: a poly-diagnostic study

The use of atmospheric pressure plasmas for thin film deposition on thermo-sensitive materials is currently one of the main challenges of the plasma scientific community. Despite the growing interest in this field, the existing knowledge gap between gas-phase reaction mechanisms and thin film properties is still one of the most important barriers to overcome for a complete understanding of the process. In this work, thin films surface characterization techniques, combined with passive and active gas-phase diagnostic methods, were used to provide a comprehensive study of the Ar/TEOS deposition process assisted by an atmospheric pressure plasma jet. SiO2-based thin films exhibiting a well-defined chemistry, a good morphological structure and high uniformity were studied in detail by FTIR, XPS, AFM and SEM analysis. Furthermore, non-intrusive spectroscopy techniques (OES, filter imaging) and laser spectroscopic methods (Rayleigh scattering, LIF and TALIF) were employed to shed light on the complexity of gas-phase mechanisms involved in the deposition process and discuss the influence of TEOS admixture on gas temperature, electron density and spatial-temporal behaviours of active species. The poly-diagnostic approach proposed in this work opens interesting perspectives both in terms of process control and optimization of thin film performances.

Analisi climatologiche locali con dati convenzionali e dendrocronologici

L'obiettivo di questa tesi è quello di valutare se vi sono delle corrispondenze tra dati dendrocronologici e indici climatici su scala locale. Per procedere a questa analisi vengono introdotti i metodi utilizzati per il monitoraggio del sistema climatico e proposta una breve presentazione della dendrocronologia e degli strumenti di cui ci si avvale in questo campo. La corrispondenza dendroclimatologica su piccola scala è stata fatta tramite l'utilizzo dei dati convezionali (termometri, pluviometri) e dati dendrocronologici tramite un'analisi diretta su alberi nella provincia di Bologna. I dati da pluviometro e termometro sono stati rielaborati in riferimento a indici di teleconnessione forniti dal NOAA sulle differenze di pressioni atmosferiche su precisi punti geografici. In secondo luogo sono stati effettuati dei test non parametrici sulle tendenze e sull'esistenza di punti di cambio e un'elaborazione della probabilità di comparsa di eventi di siccità. I risultati ottenuti sono stati confrontati con ricerche analoghe trovate in letterauratura. L'analisi di dati dendrocronologici è stata fatta sia su immagini relative ad anelli di quercia che a dati di resistenza alla perforazione di un stronco di pioppo vivente. Il confronto finale fra dati convenzionali e alberi, pur soffrendo di notevoli incertezze e imprecisioni ha mostrato alcuni risultati circa l'effetto delle condizioni climatiche sulle piante. Mostrando l'applicabilità di tecniche dendroclimatologiche su piccola scala.

Deodorazione di olio di semi: confronto tra due soluzioni impiantistiche con focus sui glicerol esteri

L'obiettivo del lavoro di tesi ha riguardato il confronto tra due soluzioni impiantistiche per la deodorazione di olio di semi di girasole e mais in uno specifico ambito aziendale (Tampieri S.P.A. Faenza). La nuova linea di deodorazione è stato progettata per abbattere il residuo di pesticida e di molecole tossiche quali 2/3 – MCPD e Ges, migliorando anche alcuni parametri di qualità degli oli di semi raffinati. Le prestazioni dell'impianto sono state valutate confrontando le differenze tra alcuni parametri di prodotto, con particolare riguardo ai glicerol esteri (GEs). Il nuovo deodoratore: - ha risolto il problema dei pesticidi (grazie al vuoto più spinto) e migliorato molti parametri di qualità degli oli di semi; - non ha abbassato la carica dei 2/3 MCPD, poiché l’aumento di questi ultimi è legato al livello di degradazione della materia prima da una parte, dall’acidità delle terre decoloranti dall’altra; – ha abbassato la carica dei GE, grazie al minor tempo di stazionamento dell’olio in colonna ed alla maggiore efficienza, dovuta in gran parte alla camera di post stripping. Si è passati da 880 ppb a 290 ppb per il mais (che comunque presenta un valore più alto perché maggiori sono i suoi valori iniziali di DAG) e da 120 ppb a <100 per il girasole.

Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.

Analisi del recupero del gas da boil-off di serbatoio LNG da autotrazione

Durante la sosta degli automezzi alimentati ad LNG, la pressione all'interno dei serbatoi criogenici aumenta a causa della formazione di gas al loro interno fino al raggiungimento di una pressione limite, superata la quale il gas metano generato, detto di boil-off, viene sfiatato in aria. Dato il forte impatto ambientale che ha il metano, si è valutato quali fossero le dinamiche legate alla sua produzione e al suo sfiato in funzione delle condizioni iniziali e delle condizioni ambientali esterne. Dopo aver allestito una stazione di prova per poter monitorare i valori di pressione interna del serbatoio, fino al raggiungimento della pressione di sfiato, e di massa del sistema nel tempo per valutare la portata di sfiato, sono state eseguite quattro prove con differenti valori iniziali di pressione interna e livello di riempimento di liquido. Terminate le prove sperimentali, è stato analizzato un sistema di recupero del gas altrimenti sfiatato da installare direttamente a bordo dell'automezzo. Grazie ai risultati delle prove effettuate, è stato poi possibile valutare il consumo energetico che tale recupero richiederebbe e i vantaggi che comporterebbe sia ambientali che economici. Ulteriori prove possono essere effettuate per analizzare le prestazioni del sistema di recupero, in particolare riguardo alle caratteristiche del compressore presente all'interno del sistema stesso che deve essere installato a bordo dell'automezzo.

Studio del danno indotto dalla detonazione e della temperatura media di pistoni in lega di alluminio e sviluppo di un modello analitico per il calcolo in Real-Time della temperatura dei gas di scarico

In campo motoristico, negli ultimi anni, la ricerca si è orientata allo studio approfondito dell'efficienza di combustione, individuandone in primo luogo i principali aspetti limitanti. Primo tra tutti la detonazione che, essendo dannosa per i componenti del motore (e in particolare quelli della camera di combustione), è adesso al centro di molti studi. L'obiettivo è di conoscerla a fondo in modo da poterne arginare gli effetti. Questa tesi si colloca in un ampio progetto volto a perseguire tale risultato. Infatti, lo studio del danno che viene indotto sui componenti della camera di combustione (i pistoni in particolare), della sua morfologia, della localizzazione prevalente e i principali parametri ai quali esso risulta correlabile, fanno parte dell'attività sperimentale esposta in questo lavoro. Essa si concentra inoltre sul degrado termico della lega dei pistoni a seguito di prove a banco sul motore, che si pongono l'obiettivo di provocare elevati livelli di detonazione e su eventuali benefici che derivano dal poterne accettare episodi di entità incipiente. A tale proposito, viene esposto e validato un modello di temperatura dei gas di scarico Real Time, tramite il quale è possibile calcolare la temperatura di essi una volta noto il punto motore.

Analisys of gas permeability in perfluorosufonated polymeric membranes for CO2 separation

The present thesis focuses on the permebility analisys of Aquivion® 980 Perfluoro sulfonic acid (PFSA) polymer with particular reference to the influence of the equivalent weight (gram of polymer per molSO3H) on the permeation properties. Aquivion grade tested, indeed, were characterized by a lower equivalent weight ( 870 g/molSO3H against 980 of the present material) with respect to data present in the open literature. Permeability of different gases (CO2, N2, and CH4) was tested at different temperatures and different humidity, a parameter which greatly influences the gas transport in such hydrophilic material- Aquivion® swells consistently in humid conditions increasing its gas permeability of more than one order of magnitude with respect to values prevailing in dry conditions. Present data confirm such behavior being the permeability of all gases and vapors tested substantially increased in presence of water. Interestingly the increase in permeability results be similar for all the gases inspected, hence such enhanced permeation capability is not associated to a selectivity loss that happens in polymeric membranes. Although, the results, of CO2, are lower compared to those obtained with the different grades, with lower equivalent weight, of Aquivion, thus suggesting that an increase of this parameter is detrimental for both permeability and selectivity of the membranes with respect to CO2. This is likely related to the fact that a lower content of SO3H groups makes it difficult to have an interconnected water domain inside the membranes. A modeling approach was considered to describe the experimental data and to give a better insight into the observed behavior, unfortunately, it resulted not sensitive enough to catch the differences between the gas permeability in PSFAs with high and low equivalent weight. The latter were indeed usually contained within 10-20% which results to be the in the same range of model precision when used in a predictive way.

Analisi di misure di scariche parziali nei sistemi isolati a gas

Le apparecchiature elettriche isolate a gas per alta tensione stanno riscuotendo grande successo in particolare per la possibilità di ridurre le dimensioni delle sottostazioni. Sebbene si tratti di strutture meno complesse da realizzare rispetto ai cavi, la causa di guasto risulta prevalentemente imputabile ai difetti dell’isolamento. La diagnostica dei sistemi isolanti è maturata nella comprensione dei fenomeni elettromagnetici coinvolti e delle condizioni a contorno che differenziano i vari difetti, fonti di scariche parziali. Questa tesi affronta il tema delle scariche parziali negli interruttori isolati con gas Esa-Fluoruro di Zolfo. In particolare, propone le basi teoriche per sostenere l’analisi delle misure delle scariche parziali, soprattutto nel caso siano effettuate sul campo. Viene proposto un algoritmo utile ad esaminare le misure delle scariche parziali. Vengono implementati vari metodi grafici e statistici risultati dall’indagine bibliografica. Vengono proposti alcuni grafici a sostegno dell’identificazione di marcatori e indicatori della fisica dei fenomeni.

Progetto concettuale di dirigibile per trasporto di gas

Lo scopo principale di questo elaborato di tesi è poter fornire degli strumenti per il progetto concettuale di un dirigibile non-rigido e per valutare la fattibilità del trasporto di idrogeno gassoso. L’innovazione rispetto ai dirigibili utilizzati fino ad ora risiede nell’utilizzo di idrogeno sia come fonte di energia, che come gas di sollevamento; entrambi gli utilizzi verranno approfonditi con speciale attenzione alle problematiche legate alla sicurezza, fattore che ha interrotto l’uso dell’idrogeno come gas di sollevamento dagli anni ‘30. Oltre a ciò, verrà illustrato un breve confronto tra i due gas di sollevamento più utilizzati: elio ed idrogeno. Dopo un accenno storico, l’elaborato propone una metodologia per il dimensionamento di un dirigibile non-rigido, utilizzando strumenti matematici derivanti da modelli presenti in bibliografia e da considerazioni ed esperimenti svolti dai progettisti e dai ricercatori nei campi principali coinvolti nella progettazione dei dirigibili non-rigidi: aerodinamica, aerostatica, propulsione e stima delle masse. La progettazione di un dirigibile non-rigido ad idrogeno sicuro ed affidabile è influenzata dallo sviluppo di materiali che garantiscano, in primis, resistenza e bassa permeabilità: verrà presentato uno schema di un materiale composito laminato che potrebbe garantire requisiti di sicurezza superiori ai materiali utilizzati in passato, dei quali si farà un accenno. Alla fine dell’elaborato sarà presentato un caso di studio dove verranno utilizzati gli strumenti illustrati nella prima parte della tesi, con l’obbiettivo finale di dimensionare un dirigibile non-rigido ad idrogeno. Per questo caso di studio è stato implementato un breve codice MATLAB. A conclusione di questo lavoro di tesi si può dire che la fattibilità di un dirigibile per trasporto idrogeno dipende dallo sviluppo di materiali e tecniche adeguate alla gestione dell’idrogeno che costituisce enormi problematiche a livello di sicurezza.

Sistemi di stoccaggio non tradizionali: modellazione analitica ed analisi prestazionale multi-scenario

Il seguente elaborato di tesi prevede la simulazione del comportamento di quattro diversi layout di magazzino contenenti lo stesso numero di vani, ipotizzando uno stoccaggio della merce secondo il criterio delle classi. Inoltre è stata analizzata l’influenza della variabile altezza sul tempo di ciclo dei singoli magazzini. I quattro layout analizzati sono stati: il layout tradizionale, il layout diagonal cross aisle, il layout fishbone e il layout leaf. Il primo è un magazzino “convenzionale”, nel quale l’intersezione dei corridoi genera sempre angoli retti, i restanti tre sono magazzini “non convenzionali”, ovvero l’intersezione dei corridoi genera angoli particolari. Per ciascun magazzino è stato realizzato un modello matematico discreto in grado di determinare la posizione di ogni singolo vano, la sua distanza dal punto I/O e la sua altezza da terra. Il modello matematico e la tipologia di gestione del magazzino sono stati successivamente implementati in un programma scritto su Microsoft Excel, mediante il linguaggio integrato VBA (Visual Basic for Application). Questo ha permesso di determinare i tempi di ciclo medi per ciascun magazzino, facendo il rapporto tra le distanze precedentemente calcolate e le velocità di traslazione e sollevamento del carrello elevatore. Per ottenere dalla simulazioni dei valori il più possibile prossimi alla realtà è stata adottata la metodologia di Simulazione Monte Carlo e un numero di estrazioni pari a 1000. Dai risultati ottenuti è emerso che il magazzino fishbone è in grado di garantire i miglior tempo di ciclo e che i tempi di ciclo più bassi si ottengono, a parità di vani presenti in un magazzino, aumentando le dimensioni in pianta piuttosto che aumentando l’altezza del magazzino.

Nonlinear modelling of non-structural masonry walls under a low-intensity earthquake motion: calibration through a parametric study

This thesis aims to understand the behavior of a low-rise unreinforced masonry building (URM), the typical residential house in the Netherlands, when subjected to low-intensity earthquakes. In fact, in the last decades, the Groningen region was hit by several shallow earthquakes caused by the extraction of natural gas. In particular, the focus is addressed to the internal non-structural walls and to their interaction with the structural parts of the building. A simple and cost-efficient 2D FEM model is developed, focused on the interfaces representing mortar layers that are present between the non-structural walls and the rest of the structure. As a reference for geometries and materials, it has been taken into consideration a prototype that was built in full-scale at the EUCENTRE laboratory of Pavia (Italy). Firstly, a quasi-static analysis is performed by gradually applying a prescribed displacement on the roof floor of the structure. Sensitivity analyses are conducted on some key parameters characterizing mortar. This analysis allows for the calibration of their values and the evaluation of the reliability of the model. Successively, a transient analysis is performed to effectively subject the model to a seismic action and hence also evaluate the mechanical response of the building over time. Moreover, it was possible to compare the results of this analysis with the displacements recorded in the experimental tests by creating a model representing the entire considered structure. As a result, some conditions for the model calibration are defined. The reliability of the model is then confirmed by both the reasonable results obtained from the sensitivity analysis and the compatibility of the values obtained for the top displacement of the roof floor of the experimental test, and the same value acquired from the structural model.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.

Rilevazione dell'adulterazione di olio extra vergine di oliva con olio di girasole mediante l'impiego di sensori spettrali

Nel corso degli ultimi anni si è assistito ad un aumento di episodi fraudolenti nel settore alimentare. Ciò è vero anche per il settore oleario: per il suo elevato valore economico, nutrizionale e sensoriale, l’olio extra vergine di oliva è un bersaglio perfetto dei frodatori, che realizzano molteplici tipologie di adulterazione. Questo lavoro di tesi si è focalizzato, in particolare, sull’adulterazione dell’olio extra vergine di oliva con olio di semi di girasole. Su campioni preparati in laboratorio per simulare la frode, a partire da due oli extra vergini di oliva addizionati con percentuali diverse di olio di girasole, sono state effettuate determinazioni analitiche utilizzando un sensore spettrale, basato sulla spettroscopia nel vicino infrarosso, seguite da un’elaborazione chemiometrica dei risultati. Lo strumento portatile è stato sviluppato da una start-up olandese presso cui ho svolto il tirocinio curriculare. Il modello di stima risultante dalle risposte fornite dai 16 pixel del sensore ha mostrato una capacità di rilevazione soddisfacente nei confronti di questa adulterazione, conducendo ad un errore medio nella stima della percentuale di olio di girasole aggiunto intorno al 3%. Tale risultato, se verrà confermato da ulteriori analisi grazie alle quali il modello predittivo potrà essere reso più robusto, potrebbe incoraggiare l’utilizzo di questa metodologia analitica come tecnica rapida di screening, facilmente applicabile anche in un contesto industriale, a supporto delle più laboriose e complesse tecniche analitiche tradizionali, nella rilevazione di adulterazioni di oli extra vergini di oliva con oli di semi di girasole.

Many-body approach to the BCS-BEC crossover for an imbalanced ultra-cold Fermi gas

The aim of this thesis is the study of the normal phase of a mass imbalanced and polarized ultra-cold Fermi gas in the context of the BCS-BEC crossover, using a diagrammatic approach known as t-matrix approximation. More specifically, the calculations are implemented using the fully self-consistent t-matrix (or Luttinger- Ward) approach, which is already experimentally and numerically validated for the balanced case. An imbalance (polarization) between the two spin populations works against pairing and superfluidity. For sufficiently large polarization (and not too strong attraction) the system remains in the normal phase even at zero temperature. This phase is expected to be well described by the Landau’s Fermi liquid theory. By reducing the spin polarization, a critical imbalance is reached where a quantum phase transition towards a superfluid phase occurs and the Fermi liquid description breaks down. Depending on the strength of the interaction, the exotic superfluid phase at the quantum critical point (QCP) can be either a FFLO phase (Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov) or a Sarma phase. In this regard, the presence of mass imbalance can strongly influence the nature of the QCP, by favouring one of these two exotic types of pairing over the other, depending on whether the majority of the two species is heavier or lighter than the minority. The analysis of the system is made by focusing on the temperature-coupling-polarization phase diagram for different mass ratios of the two components and on the study of different thermodynamic quantities at finite temperature. The evolution towards a non-Fermi liquid behavior at the QCP is investigated by calculating the fermionic quasi-particle residues, the effective masses and the self-energies at zero temperature.

Obiettivo NZEB nella riqualificazione di condomini: studio di fattibilità di impianto centralizzato a pompa di calore tramite simulazioni in regime dinamico

Molti edifici realizzati negli anni ‘80-‘90 sono caratterizzati da impianti con caldaie autonome e nell’ambito degli interventi di riqualificazione energetica solo raramente vengono inserite delle pompe di calore a causa della temperatura di funzionamento dell’impianto, che spesso deve essere mantenuta elevata per i sistemi di emissione a radiatori. Tuttavia la riduzione dei carichi termici dovuti all'isolamento degli edifici consente di utilizzare i terminali esistenti facendoli lavorare a bassa temperatura, con temperature medie di 45-50°C. Obiettivo principale della tesi è quindi la valutazione della fattibilità e dei vantaggi energetici nell’ambito della sostituzione di un sistema di riscaldamento autonomo a gas con un sistema a pompa di calore. Viene preso in esame un edificio condominiale formato da 47 alloggi sito a San Lazzaro di Savena e in particolare verrà valutata la fattibilità di inserire un impianto centralizzato a pompa di calore per ogni corpo scala di cui è composto l’edificio, alimentando l’impianto con pannelli fotovoltaici installati in copertura. Per valutare i vantaggi energetici è stato utilizzato il software di simulazione dinamica Design Builder che consente di analizzare i fabbisogni energetici e la produzione di energia con step orario. Il modello dinamico permette anche di studiare le strategie d’involucro più opportune per diminuire il fabbisogno energetico e poter far lavorare la pompa di calore con i radiatori esistenti a bassa temperatura. I risultati attesi dal lavoro sono molteplici: in primo luogo verificare che la scelta dell’introduzione della pompa di calore consenta all'edificio di ridurre i consumi di energia primaria da fonti non rinnovabili, con lo scopo di portare l’edificio ad una richiesta di quasi zero energia (NZEB) in linea con le nuove normative europee e nazionali; in secondo luogo che l’utilizzo della simulazione oraria consenta di valutare il matching reale tra produzione e consumo di energia.