Proprietà di conduzione elettrica in campioni di grafene poroso

Il grafene, allotropo del carbonio costituito da un reticolo bidimensionale, è uno dei nanomateriali più promettenti allo stato attuale della ricerca nei campi della Fisica e della Chimica, ma anche dell'Ingegneria e della Biologia. Isolato e caratterizzato per la prima volta nel 2004 dai ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, ha aperto la via sia a studi teorici per comprendere con gli strumenti della Meccanica Quantistica gli effetti di confinamento in due dimensioni (2D), sia ad un vastissimo panorama di ricerca applicativa che ha l'obiettivo di sfruttare al meglio le straordinarie proprietà meccaniche, elettriche, termiche ed ottiche mostrate da questo materiale. Nella preparazione di questa tesi ho personalmente seguito presso l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna la sintesi mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) di grafene "tridimensionale" (3D) o "poroso" (denominato anche "schiuma di grafene", in inglese "graphene foam"), ossia depositato su una schiuma metallica dalla struttura non planare. In particolare l'obiettivo del lavoro è stato quello di misurare le proprietà di conduttività elettrica dei campioni sintetizzati e di confrontarle con i risultati dei modelli che le descrivono teoricamente per il grafene planare. Dopo un primo capitolo in cui descriverò la struttura cristallina, i livelli energetici e la conduzione dei portatori di carica nel reticolo ideale di grafene 2D (utilizzando la teoria delle bande e l'approssimazione "tight-binding"), illustrerò le differenti tecniche di sintesi, in particolare la CVD per la produzione di grafene poroso che ho seguito in laboratorio (cap.2). Infine, nel capitolo 3, presenterò la teoria di van der Pauw su cui è basato il procedimento per eseguire misure elettriche su film sottili, riporterò i risultati di conduttività delle schiume e farò alcuni confronti con le previsioni della teoria.

Operatori lineari su spazi di Hilbert

La trattazione che segue fornisce un'introduzione agli operatori lineari. Il primo capitolo contiene dei cenni sugli spazi di Hilbert di dimensione infinita, in modo da poter lavorare con operatori definiti non solo su spazi finito dimensionali, che sono generalmente rappresentati da matrici. Nel secondo capitolo si prosegue con lo studio degli operatori lineari limitati, proponendo come esempio l'operatore di proiezione. Viene definito anche l'importante concetto di operatore aggiunto, generalizzato nel capitolo successivo. Il capitolo finale tratta gli operatori non limitati, che possono essere analizzati con più facilità se soddisfano una proprietà topologica, che è la chiusura. Si affronta anche il concetto di spettro di un operatore, soprattutto nel caso di un operatore autoaggiunto, concludendo con l' esempio di un importante operatore, cioè l'operatore differenziale, fondamentale in meccanica quantistica.

Particelle di cellulosa come nuclei di ghiacciamento in nube

La formazione del ghiaccio nelle nubi avviene prevalentemente per nucleazione eterogenea, grazie alla presenza di nuclei di ghiacciamento (Ice Nucleating Particles, INP), ovvero particelle di aerosol (prevalentemente polveri minerali) in grado di favorire la solidificazione di una gocciolina o il passaggio diretto dalla fase vapore alla fase ghiaccio. Recentemente, l'interesse si è esteso anche all'aerosol di tipo biologico (funghi, spore, etc.), in grado di agire come INP a temperature più elevate rispetto all'aerosol minerale. Il lavoro sperimentale di questa tesi, svolto presso il laboratorio del gruppo Nubi e Precipitazioni dell’ISAC-CNR di Bologna, ha avuto come obiettivo lo studio della capacità della cellulosa di agire come INP. Esso si inserisce in un’attività di ricerca internazionale dedicata allo studio degli INP (progetto Ice NUclei research unIT, INUIT, Germania). Il lavoro sperimentale ha riguardato la messa a punto di due diversi sistemi di generazione dell'aerosol di cellulosa, la caratterizzazione dimensionale delle particelle, la loro osservazione al microscopio elettronico e la preparazione dei filtri per le misure di INP. I risultati ottenuti hanno evidenziato che le proprietà nucleanti della cellulosa sono inferiori rispetto alle polveri minerali ma paragonabili ad altri materiali, come la cenere vulcania e l'aerosol marino. Quindi, in aree ricche di vegetazione o dove le polveri minerali non sono abbondanti, la cellulosa potrebbe costituire un importante materiale per la formazione del ghiaccio nelle nubi miste. Misure preliminari hanno evidenziato come le particelle di cellulosa con dimensioni inferiori a 0,5μm risultano meno attive nella nucleazione del ghiaccio rispetto a quelle di dimensioni maggiori. I risultati ottenuti sono stati presentati al Congresso PM2016 (Roma, 17-19 maggio 2016) e saranno presentati in un poster alla prossima European Aerosol Conference (Tours, Francia, 4-6 settembre 2016).

Uno studio analitico ed algebrico della trasformata di Radon ed alcune sue applicazioni

Lo scopo di questa tesi si articola in tre punti. In primo luogo, ci proponiamo di definire, sia in ambito analitico che in un contesto più algebrico e geometrico, la trasformata di Radon, di discutere la possibilità di un'eventuale generalizzazione a spazi non euclidei, e di presentare le sue proprietà più caratteristiche. In secondo luogo vogliamo dimostrare, sfruttando un collegamento di questa con la trasformata di Fourier, che la trasformata di Radon è un'applicazione iniettiva tra spazi funzionali e che è dunque invertibile, per poi descrivere uno dei possibili metodi formali di inversione. Accenneremo anche alle problematiche che insorgono nell'utilizzare l'antitrasformata di Radon in situazioni reali, e alle relative soluzioni. Infine, concluderemo la trattazione con una breve ma, ottimisticamente, delucidatrice, introduzione ad alcuni esempi di applicazione della trasformata di Radon a vari ambiti fisici e matematici.

Applicazione della Tomografia con raggi X per la lettura virtuale di antichi manoscritti veneziani

Questo lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca internazionale denominato “Venice Time Machine” dove collaborano fianco a fianco l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne e l’Università Cà Foscari di Venezia. Grazie al coinvolgimento dell’Archivio di Stato di Venezia, decine di chilometri di documenti verranno digitalizzati e indicizzati, al fine di creare un database open access da utilizzare per la ricerca e l’istruzione. Molti di questi documenti tuttavia sono particolarmente fragili oppure, come nel caso di diversi testamenti, non sono mai stati aperti, per cui le tecniche tradizionali di digitalizzazione non sono applicabili. Di qui deriva l’interesse per sperimentare nuove tecniche non invasive al fine di digitalizzare e quindi rendere fruibili al pubblico anche questi documenti altrimenti inaccessibili. Lo scopo dell’analisi tomografica è quello di creare un modello 3D del documento, su cui effettuare successive elaborazioni al fine di ottenere una separazione virtuale delle pagine e quindi permetterne la lettura anche se il manoscritto è chiuso e non può essere aperto. In particolare in questo lavoro di tesi sono stati analizzati due testamenti: un testamento del 1679, usato come campione di prova per verificare la migliore sorgente di raggi X ai fini della ricostruzione tomografica e anche per valutare l’efficacia della tecnica, e il testamento Alchier-Spiera (dai nomi dei testatori), datato 1634, di maggiore interesse poiché ancora chiuso. I risultati ottenuti sono molto soddisfacenti, poiché elaborando le ricostruzioni tomografiche è possibile la lettura virtuale sia di parole che di intere frasi. Questo risultato porta nuova linfa al progetto che, di base, si pone l’obiettivo di convertire in formato digitale decine di km di testi conservati in Archivio, ma che ha trovato, in questo tipo di testamenti chiusi, un ostacolo molto difficile da superare.

Utilizzo di lenti di Laue per applicazioni radioterapiche

Questo lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto di ricerca LAUPER in cui sono coinvolte le sezioni INFN di Ferrara e Bologna. Il progetto LAUPER, acronimo per LAUe-PEak Radiotherapy, ha come scopo lo studio di fattibilità di un prototipo di lente di Laue in grado di focalizzare fasci di raggi X con energie dell’ordine di 100 keV per possibili applicazioni in ambito radioterapico. Sfruttando fasci di raggi X, caratterizzati da energie inferiori a quelle che contraddistinguono le usuali tecniche radioterapiche e focalizzati mediante una lente di Laue, si cerca di ottimizzare il rapporto fra la dose sul target tumorale e la dose sui tessuti sani. Questa tesi, nello specifico, descrive i dati ottenuti dai primi test effettuati con due prototipi di lente di Laue, caratterizzati da un differente numero di cristalli e da una loro diversa disposizione sulla lente. Dall’analisi delle misure effettuate si evince come effettivamente i prototipi siano in grado di focalizzare fasci di raggi X con energie dell’ordine di 100 keV. Tuttavia uno dei due prototipi ha evidenziato delle problematiche relative alla diffrazione causata dalla struttura di supporto dei cristalli, che non è stato possibile schermare adeguatamente. I prossimi passi del progetto LAUPER consistono quindi nella risoluzione di questo problema con la realizzazione di nuovi prototipi, caratterizzati da un diverso tipo di supporto. Con quest’ultimi verranno anche effettuati test dosimetrici in modo da costruire le curve di dose in funzione della profondità in materiali tessuto-equivalenti.

Il principio dei lavori virtuali

La tesi tratta del principio dei lavori virtuali.

Gli automorfismi del campo dei numeri complessi

L'elaborato tratta degli automorfismi del campo dei numeri complessi C; in particolare analizza tre proprietà fondamentali. 1) Gli automorfismi "selvaggi" fissano Q e mandano R\Q in un sottoinsieme denso di C 2) Ogni automorfismo di un sottocampo di C può essere esteso ad un automorfismo di C 3) La cardinalità dell'insieme degli automorfismi di C è 2^{2^{\aleph_0}}. Per dimostrare l'ultimo punto sono necessari prerequisiti relativi alle basi di trascendenza, prerequisiti che sono esposti nella prima parte della tesi.

L'atmosfera termica e il suo ruolo nell'entropia dei buchi neri

Con il testo presente, si intende mostrare come i gradi di libertà associati all'entropia di un buco nero possano essere ricercati in parte fruttuosamente nell'interazione dei campi quantistici con la struttura causale e geometrica esibita da un buco nero. Nel Capitolo 1, si affrontano le principali caratteristiche dei buchi neri alla luce della teoria classica di Relatività Generale: sono analizzate la soluzione di Schwarzschild e la struttura causale nello spazio-tempo conseguente, discutendo le definizioni di orizzonte e di singolarità e il rapporto che le lega, con riferimento ai risultati di Penrose e Hawking. Introdotto, all'inizio del Capitolo 2, il concetto di gravità superficiale e la metrica di Kerr-Newman, si studia il significato delle Quattro Leggi dei buchi neri, valide per soluzioni stazionarie. Il Capitolo 3 espone quali motivazioni spingano a proporre una caratterizzazione termodinamica dei buchi neri, attribuendovi una temperatura e un'entropia (detta “di Bekenstein-Hawking”) di natura geometrica, dipendente dall'area dell'orizzonte; si trattano qui i problemi che si incontrano nel costruire una corrispondente Meccanica Statistica. Si descrive dunque in quali termini il processo di radiazione di Hawking riesca a dare una spiegazione fisica della temperatura, e si rileva la presenza, secondo osservatori statici, di un'atmosfera termica nei pressi dell’orizzonte. Infine, si esamina la possibilità di attribuire alla radiazione di Hawking i gradi di libertà relativi all'entropia di Bekenstein-Hawking. In particolare, si illustra il modello a muro di mattoni di 't Hooft, che lega i gradi di libertà all'atmosfera termica. Considerando infine la deformazione dell'orizzonte dovuta a fluttuazioni quantistiche, si giunge alla conclusione che l'entropia dell'atmosfera termica rappresenta non un'interpretazione dell'entropia di Bekenstein-Hawking, bensì una sua correzione al secondo ordine.

Teorema fondamentale dei politopi convessi

In questa tesi si presenta il concetto di politopo convesso e se ne forniscono alcuni esempi, poi si introducono alcuni metodi di base e risultati significativi della teoria dei politopi. In particolare si dimostra l'equivalenza tra le due definizioni di H-politopo e di V-politopo, sfruttando il metodo di eliminazione di Fourier-Motzkin per coni. Tutto ciò ha permesso di descrivere, grazie al lemma di Farkas, alcune importanti costruzioni come il cono di recessione e l'omogeneizzazione di un insieme convesso.

Sfide alla Geologia: le Opere di Miozzi e Calatrava a Venezia

Secondo la sismologia storica, Venezia non è mai stata colpita in modo diretto da terremoti nel suo immediato sottosuolo, tuttavia ha riportato diversi danni in occasione di terremoti limitrofi. Nella presente tesi è stato studiato il comportamento sotto sisma di due principali opere veneziane: il ponte degli Scalzi (1934) eretto da E. Miozzi e il ponte della Costituzione (2008), disegnato da S. Calatrava. Accoppiando il modello dinamico dei due ponti con lo spettro di risposta del sito, abbiamo riscontrato che il ponte della Costituzione si colloca nel plateau dello spettro, quindi a periodi per i quali l’accelerazione attesa sulla struttura è massima. Questo non depone a favore della sua sicurezza, considerati anche i problemi statici che la struttura presenta. Il ponte degli Scalzi presenta invece una rigidezza tale da non mostrare amplificazione significativa tra il moto alla fondazione e quello della struttura sovrastante. Le misure di microtremore ambientale effettuate sul sottosuolo in prossimità delle fondazioni dei due ponti hanno mostrato che esso amplifica il moto per risonanza a 0.5 Hz. Questa frequenza è sufficientemente lontana da quelle proprie dei due ponti in esame, per cui si può ritenere che non ne influenzi significativamente la dinamica. Infine, abbiamo osservato che i valori di accelerazione verticale misurati sulla sua sommità del ponte della Costituzione, generati principalmente dal traffico pedonale, superano i limiti di comfort proposti dall’Eurocodice EN UNI 1990.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^155Gd e ^157Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Demolizione delle costruzioni in calcestruzzo armato: tecniche, teoria ed analisi dei rischi.

L’intento di questa ricerca è stato quello di cercare di riordinare ed approfondire il settore delle demolizioni, campo vasto e in costante crescita, dove saranno necessari tecnici sempre più specializzati in materia di statica, ambiente, sicurezza ed esplosivistica civile. Nella prima parte della ricerca è stata analizzata l'errata concezione odierna delle demolizioni viste solamente come un mero intervento di distruzione e sono state descritte le principali tecniche di demolizione tradizionali per costruzioni in calcestruzzo armato, suddividendole nelle due famiglie riguardanti le demolizioni parziali e le demolizioni totali, analizzando i vantaggi e gli svantaggi di ognuna di esse e nello specifico evidenziando il grado di compatibilità della singola tecnica in relazione all'intervento da svolgere. Descritte le tecniche sono state studiate le principali verifiche statiche che vengono solitamente effettuate per le demolizioni con esplosivo e le demolizioni meccaniche. Nella seconda parte della tesi si è voluto prestare attenzione riguardo alle origini della demolizione guardando in che modo si sia evoluta sino ad oggi, in particolare le imprese odierne le quali sono attualmente in grado di affrontare qualsiasi problema seguendo il programma del processo demolitivo. L'ultima parte della ricerca consiste nella valutazione e descrizione dei principali fattori di rischio di questi interventi sottolineando ogni tipo di soluzione per poterli evitare, è stato inoltre analizzato molto schematicamente il caso di studio del Palazzo di Giustizia dell'Aquila distrutto a causa del sisma e rinnovato grazie ad interventi demolitivi.

Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.