Chemical exfoliation of graphene and its application in organic electronics and energy storage devices

Graphene, the thinnest two-dimensional material possible, is considered as a realistic candidate for the numerous applications in electronic, energy storage and conversion devices due to its unique properties, such as high optical transmittance, high conductivity, excellent chemical and thermal stability. However, the electronic and chemical properties of graphene are highly dependent on their preparation methods. Therefore, the development of novel chemical exfoliation process which aims at high yield synthesis of high quality graphene while maintaining good solution processability is of great concern. This thesis focuses on the solution production of high-quality graphene by wet-chemical exfoliation methods and addresses the applications of the chemically exfoliated graphene in organic electronics and energy storage devices.rnPlatinum is the most commonly used catalysts for fuel cells but they suffered from sluggish electron transfer kinetics. On the other hand, heteroatom doped graphene is known to enhance not only electrical conductivity but also long term operation stability. In this regard, a simple synthetic method is developed for the nitrogen doped graphene (NG) preparation. Moreover, iron (Fe) can be incorporated into the synthetic process. As-prepared NG with and without Fe shows excellent catalytic activity and stability compared to that of Pt based catalysts.rnHigh electrical conductivity is one of the most important requirements for the application of graphene in electronic devices. Therefore, for the fabrication of electrically conductive graphene films, a novel methane plasma assisted reduction of GO is developed. The high electrical conductivity of plasma reduced GO films revealed an excellent electrochemical performance in terms of high power and energy densities when used as an electrode in the micro-supercapacitors.rnAlthough, GO can be prepared in bulk scale, large amount of defect density and low electrical conductivity are major drawbacks. To overcome the intrinsic limitation of poor quality of GO and/or reduced GO, a novel protocol is extablished for mass production of high-quality graphene by means of electrochemical exfoliation of graphite. The prepared graphene shows high electrical conductivity, low defect density and good solution processability. Furthermore, when used as electrodes in organic field-effect transistors and/or in supercapacitors, the electrochemically exfoliated graphene shows excellent device performances. The low cost and environment friendly production of such high-quality graphene is of great importance for future generation electronics and energy storage devices. rn

Spatial computing per smart devices

Magic Carpet, nato come un middleware orientato a una dimostrazione sullo spatial computing, che inizialmente coinvolgeva solo smart devices ed un tappeto di tag NFC, è il punto di partenza per uno studio sulle tecnologie abilitanti in tale campo. Il prodotto finale è una toolchain per lo sviluppo e la distribuzione, su dispositivi connessi, di applicazioni di spatial computing. Essa comprende un interprete per un DSL basato su un core calculus formalizzato, Field Calculus, e un middleware che supporta l'astrazione curando, a basso livello, le comunicazioni con il vicinato e le percezioni ambientali.

Traffic light policies for low penetration rate of monitoring devices

La gestione del traffico è una delle principali problematiche delle città moderne, e porta alla definizione di nuove sfide per quanto riguarda l’ottimizzazione del flusso veicolare. Il controllo semaforico è uno degli elementi fondamentali per ottimizzare la gestione del traffico. Attualmente la rilevazione del traffico viene effettuata tramite sensori, tra i quali vengono maggiormente utilizzate le spire magnetiche, la cui installazione e gestione implica costi elevati. In questo contesto, il progetto europeo COLOMBO si pone come obiettivo l’ideazione di nuovi sistemi di regolazione semaforica in grado di rilevare il traffico veicolare mediante sensori più economici da installare e mantenere, e capaci, sulla base di tali rilevazioni, di auto organizzarsi, traendo ispirazione dal campo dell’intelligenza artificiale noto come swarm intelligence. Alla base di questa auto organizzazione semaforica di COLOMBO vi sono due diversi livelli di politiche: macroscopico e microscopico. Nel primo caso le politiche macroscopiche, utilizzando il feromone come astrazione dell’attuale livello del traffico, scelgono la politica di gestione in base alla quantità di feromone presente nelle corsie di entrata e di uscita. Per quanto riguarda invece le politiche microscopiche, il loro compito è quello di deci- dere la durata dei periodi di rosso o verde modificando una sequenza di fasi, chiamata in COLOMBO catena. Le catene possono essere scelte dal sistema in base al valore corrente della soglia di desiderabilità e ad ogni catena corrisponde una soglia di desiderabilità. Lo scopo di questo elaborato è quello di suggerire metodi alternativi all’attuale conteggio di questa soglia di desiderabilità in scenari di bassa presenza di dispositivi per la rilevazione dei veicoli. Ogni algoritmo complesso ha bisogno di essere ottimizzato per migliorarne le performance. Anche in questo caso, gli algoritmi proposti hanno subito un processo di parameter tuning per ottimizzarne le prestazioni in scenari di bassa presenza di dispositivi per la rilevazione dei veicoli. Sulla base del lavoro di parameter tuning, infine, sono state eseguite delle simulazioni per valutare quale degli approcci suggeriti sia il migliore.

Insertion of Dissipative Devices in Precast RC Structures

Viscous dampers are characterized as very effective devices applied for seismic design and retrofitting. The objective of this thesis is to apply the Five-Step Procedure ,developed by a research group in University of Bologna, for sizing the viscous dampers to be installed in an existing precast RC structure. The idea is to apply the viscous damping devices in different positions in the structure then to identify and compare the performance of all types placement position.

Charge and spin transport in memristive La0.7Sr0.3Mno3/SrTiO3/Co devices

Il lavoro svolto si concentra sul trasporto di carica e spin in dispositivi trilayer La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co multifunzionali. Questi dispositivi mostrano sia magnetoresistenza che resistive switching, con un'interessante interazione fra i due effetti. Le giunzioni SrTiO3 sono state scelte per questo lavoro sia per via dei precedenti studi su SrTiO3 come barriera in dispositivi spintronici (cioè dispositivi con magnetoresistenza), sia perché sono promettenti come materiale base per costruire memristor (cioè dispositivi con resistive switching). Il lavoro di tesi è stato svolto all'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati (ISMN-CNR) a Bologna. Nella prima parte di questa tesi illustrerò la fisica dietro al resistive switching e alla magnetoresistenza di dispositivi trilayer, mostrando anche risultati di studi su dispositivi simili a quelli da me studiati. Nella seconda parte mostrerò la complessa fisica degli ossidi utilizzati nei nostri dispositivi e i possibili meccanismi di trasporto attraverso essi. Nell'ultima parte descriverò i risultati ottenuti. I dispositivi La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co sono stati studiati tramite caratterizzazione elettrica, di magnetotrasporto e con spettroscopia di impedenza. Le misure ottenute hanno mostrato una fisica molto ricca dietro al trasporto di spin e carica in questi dispositivi, e la mutua interazione fra fenomeni spintronici e di resistive switching rappresenta una chiave per comprendere la fisica di questi fenomeni. Analisi dati della dipendenza della resistenza della temperature e caratteristiche corrente-tensioni saranno usati per quantificare e descrivere il trasporto in questi dispositivi.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Smart execution of distributed application by balancing resources in mobile devices and cloud-based avatars

L’obiettivo del progetto di tesi svolto è quello di realizzare un servizio di livello middleware dedicato ai dispositivi mobili che sia in grado di fornire il supporto per l’offloading di codice verso una infrastruttura cloud. In particolare il progetto si concentra sulla migrazione di codice verso macchine virtuali dedicate al singolo utente. Il sistema operativo delle VMs è lo stesso utilizzato dal device mobile. Come i precedenti lavori sul computation offloading, il progetto di tesi deve garantire migliori performance in termini di tempo di esecuzione e utilizzo della batteria del dispositivo. In particolare l’obiettivo più ampio è quello di adattare il principio di computation offloading a un contesto di sistemi distribuiti mobili, migliorando non solo le performance del singolo device, ma l’esecuzione stessa dell’applicazione distribuita. Questo viene fatto tramite una gestione dinamica delle decisioni di offloading basata, non solo, sullo stato del device, ma anche sulla volontà e/o sullo stato degli altri utenti appartenenti allo stesso gruppo. Per esempio, un primo utente potrebbe influenzare le decisioni degli altri membri del gruppo specificando una determinata richiesta, come alta qualità delle informazioni, risposta rapida o basata su altre informazioni di alto livello. Il sistema fornisce ai programmatori un semplice strumento di definizione per poter creare nuove policy personalizzate e, quindi, specificare nuove regole di offloading. Per rendere il progetto accessibile ad un più ampio numero di sviluppatori gli strumenti forniti sono semplici e non richiedono specifiche conoscenze sulla tecnologia. Il sistema è stato poi testato per verificare le sue performance in termini di mecchanismi di offloading semplici. Successivamente, esso è stato anche sottoposto a dei test per verificare che la selezione di differenti policy, definite dal programmatore, portasse realmente a una ottimizzazione del parametro designato.

Performance of laser fluorescence devices, visual and radiographic examination for the detection of occlusal caries in primary molars

The aim of this in vitro study was to compare the performance of two laser fluorescence devices (LF, LFpen), conventional visual criteria (VE), ICDAS and radiographic examination on occlusal surfaces of primary teeth. Thirty-seven primary human molars were selected from a pool of extracted teeth, which were stored frozen at -20°C until use. Teeth were assessed twice by two experienced examiners using laser fluorescence devices (LF and LFpen), conventional visual criteria, ICDAS and bitewing radiographs, with a 2-week interval between measurements. After measurement, the teeth were histologically prepared and assessed for caries extension. The highest sensitivity was observed for ICDAS at D(1) and D(3) thresholds, with no statistically significant difference when compared to the LF devices, except at the D(3) threshold. Bitewing radiographs presented the lowest values of sensitivity. Specificity at D(1) was higher for LFpen (0.90) and for VE at D(3) (0.94). When VE was combined with LFpen the post-test probabilities were the highest (94.0% and 89.2% at D(1) and D(3) thresholds, respectively). High values were observed for the combination of ICDAS and LFpen (92.0% and 80.0%, respectively). LF and LFpen showed the highest values of ICC for interexaminer reproducibility. However, regarding ICDAS, BW and VE, intraexaminer reproducibility was not the same for the two examiners. After primary visual inspection using ICDAS or not, the use of LFpen may aid in the detection of occlusal caries in primary teeth. Bitewing radiographs may be indicated only for approximal caries detection.

Development of an auditory implant manipulator for minimally invasive surgical insertion of implantable hearing devices

To present the auditory implant manipulator, a navigation-controlled mechanical and electronic system which enables minimally invasive ('keyhole') transmastoid access to the tympanic cavity.

Drug-eluting stents: limitations of early generation and progress with newer generation devices

The success of first generation drug-eluting stents, namely by reducing restenosis and the need of repeat revascularization procedures is hampered by some limitations affecting device safety. Intense research efforts helped to identify these shortcomings and direct research to develop newer generation drug-eluting stents with the potential to circumvent these drawbacks. This review will discuss limitations of early generation drug-eluting stents, focus on solutions provided by newer generation devices, and shed light on unresolved issues and potential future solutions.

Bacterial colonization and infection of electrophysiological cardiac devices detected with sonication and swab culture

Electrophysiological cardiac devices are increasingly used. The frequency of subclinical infection is unknown. We investigated all explanted devices using sonication, a method for detection of microbial biofilms on foreign bodies.

Clinical outcome and predictors for adverse events after transcatheter aortic valve implantation with the use of different devices and access routes

Background Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a treatment option for high-risk patients with severe aortic stenosis. Previous reports focused on a single device or access site, whereas little is known of the combined use of different devices and access sites as selected by the heart team. The purpose of this study is to investigate clinical outcomes of TAVI using different devices and access sites. Methods A consecutive cohort of 200 patients underwent TAVI with the Medtronic CoreValve Revalving system (Medtronic Core Valve LLC, Irvine, CA; n = 130) or the Edwards SAPIEN valve (Edwards Lifesciences LLC, Irvine, CA; n = 70) implanted by either the transfemoral or transapical access route. Results Device success and procedure success were 99% and 95%, respectively, without differences between devices and access site. All-cause mortality was 7.5% at 30 days, with no differences between valve types or access sites. Using multivariable analysis, low body mass index (<20 kg/m2) (odds ratio [OR] 6.6, 95% CI 1.5-29.5) and previous stroke (OR 4.4, 95% CI 1.2-16.8) were independent risk factors for short-term mortality. The VARC-defined combined safety end point occurred in 18% of patients and was driven by major access site complications (8.0%), life-threatening bleeding (8.5%) or severe renal failure (4.5%). Transapical access emerged as independent predictor of adverse outcome for the Valve Academic Research Consortium–combined safety end point (OR 3.3, 95% CI 1.5-7.1). Conclusion A heart team–based selection of devices and access site among patients undergoing TAVI resulted in high device and procedural success. Low body mass index and history of previous stroke were independent predictors of mortality. Transapical access emerged as a risk factor for the Valve Academic Research Consortium–combined safety end point.