Estimates of electronic coupling for excess electron transfer in DNA

Electronic coupling Vda is one of the key parameters that determine the rate of charge transfer through DNA. While there have been several computational studies of Vda for hole transfer, estimates of electronic couplings for excess electron transfer (ET) in DNA remain unavailable. In the paper, an efficient strategy is established for calculating the ET matrix elements between base pairs in a π stack. Two approaches are considered. First, we employ the diabatic-state (DS) method in which donor and acceptor are represented with radical anions of the canonical base pairs adenine-thymine (AT) and guanine-cytosine (GC). In this approach, similar values of Vda are obtained with the standard 6-31 G* and extended 6-31++ G* basis sets. Second, the electronic couplings are derived from lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) of neutral systems by using the generalized Mulliken-Hush or fragment charge methods. Because the radical-anion states of AT and GC are well reproduced by LUMOs of the neutral base pairs calculated without diffuse functions, the estimated values of Vda are in good agreement with the couplings obtained for radical-anion states using the DS method. However, when the calculation of a neutral stack is carried out with diffuse functions, LUMOs of the system exhibit the dipole-bound character and cannot be used for estimating electronic couplings. Our calculations suggest that the ET matrix elements Vda for models containing intrastrand thymine and cytosine bases are essentially larger than the couplings in complexes with interstrand pyrimidine bases. The matrix elements for excess electron transfer are found to be considerably smaller than the corresponding values for hole transfer and to be very responsive to structural changes in a DNA stack

Delta(1232) isobar excitations in nuclear many-body systems from varios NN interactions.

Delta isobar components in the nuclear many-body wave function are investigated for the deuteron, light nuclei (16O), and infinite nuclear matter within the framework of the coupled-cluster theory. The predictions derived for various realistic models of the baryon-baryon interaction are compared to each other. These include local (V28) and nonlocal meson exchange potentials (Bonn2000) but also a model recently derived by the Salamanca group accounting for quark degrees of freedom. The characteristic differences which are obtained for the NDelta and Delta Delta correlation functions are related to the approximation made in deriving the matrix elements for the baryon-baryon interaction.

State-of-the-art of 3D cultures (organs-on-a-chip) in safety testing and pathophysiology.

Integrated approaches using different in vitro methods in combination with bioinformatics can (i) increase the success rate and speed of drug development; (ii) improve the accuracy of toxicological risk assessment; and (iii) increase our understanding of disease. Three-dimensional (3D) cell culture models are important building blocks of this strategy which has emerged during the last years. The majority of these models are organotypic, i.e., they aim to reproduce major functions of an organ or organ system. This implies in many cases that more than one cell type forms the 3D structure, and often matrix elements play an important role. This review summarizes the state of the art concerning commonalities of the different models. For instance, the theory of mass transport/metabolite exchange in 3D systems and the special analytical requirements for test endpoints in organotypic cultures are discussed in detail. In the next part, 3D model systems for selected organs--liver, lung, skin, brain--are presented and characterized in dedicated chapters. Also, 3D approaches to the modeling of tumors are presented and discussed. All chapters give a historical background, illustrate the large variety of approaches, and highlight up- and downsides as well as specific requirements. Moreover, they refer to the application in disease modeling, drug discovery and safety assessment. Finally, consensus recommendations indicate a roadmap for the successful implementation of 3D models in routine screening. It is expected that the use of such models will accelerate progress by reducing error rates and wrong predictions from compound testing.

New predictions for inclusive heavy-quarkonium P-wave decays

We show that some nonrelativistic quantum chromodynamics color-octet matrix elements can be written in terms of (derivatives of) wave functions at the origin and of nonperturbative universal constants once the factorization between the soft and ultrasoft scales is achieved by using an effective field theory where only ultrasoft degrees of freedom are kept as dynamical entities. This allows us to derive a new set of relations between inclusive heavy-quarkonium P-wave decays into light hadrons with different principal quantum numbers and with different heavy flavors. In particular, we can estimate the ratios of the decay widths of bottomonium P-wave states from charmonium data.

New predictions for inclusive heavy-quarkonium p-wave decays

We show that some nonrelativistic quantum chromodynamics color-octet matrix elements can be written in terms of (derivatives of) wave functions at the origin and of nonperturbative universal constants once the factorization between the soft and ultrasoft scales is achieved by using an effective field theory where only ultrasoft degrees of freedom are kept as dynamical entities. This allows us to derive a new set of relations between inclusive heavy-quarkonium P-wave decays into light hadrons with different principal quantum numbers and with different heavy flavors. In particular, we can estimate the ratios of the decay widths of bottomonium P-wave states from charmonium data.

Temperature-induced resonances and Landau damping of collective modes in Bose-Einstein condensed gases in spherical traps

Interaction between collective monopole oscillations of a trapped Bose-Einstein condensate and thermal excitations is investigated by means of perturbation theory. We assume spherical symmetry to calculate the matrix elements by solving the linearized Gross-Pitaevskii equations. We use them to study the resonances of the condensate induced by temperature when an external perturbation of the trapping frequency is applied and to calculate the Landau damping of the oscillations.

Landau damping of transverse quadrupole oscillations of an elongated Bose-Einstein condensate

We have studied the interaction between the low-lying transverse collective oscillations and the thermal excitations of an elongated Bose-Einstein condensate by means of perturbation theory. We consider a cylindrical trapped condensate and calculate the transverse elementary excitations at zero temperature by solving the linearized Gross-Pitaevskii equations in two dimensions (2D). We use them to calculate the matrix elements between the thermal excited states and the quasi-2D collective modes. The Landau damping of transverse collective modes is studied as a function of temperature. At low temperatures, the corresponding damping rate is in agreement with the experimental data for the decay of the transverse quadrupole mode, but it is too small to explain the observed slow decay of the transverse breathing mode. The reason for this discrepancy is discussed.

Distorted-wave calculation of cross sections for inner-shell ionization by electron and positron impact

The relativistic distorted-wave Born approximation is used to calculate differential and total cross sections for inner shell ionization of neutral atoms by electron and positron impact. The target atom is described within the independent-electron approximation using the self-consistent Dirac-Fock-Slater potential. The distorting potential for the projectile is also set equal to the Dirac-Fock-Slater potential. For electrons, this guarantees orthogonality of all the orbitals involved and simplifies the calculation of exchange T-matrix elements. The interaction between the projectile and the target electrons is assumed to reduce to the instantaneous Coulomb interaction. The adopted numerical algorithm allows the calculation of differential and total cross sections for projectiles with kinetic energies ranging from the ionization threshold up to about ten times this value. Algorithm accuracy and stability are demonstrated by comparing differential cross sections calculated by our code with the distorting potential set to zero with equivalent results generated by a more robust code that uses the conventional plane-wave Born approximation. Sample calculation results are presented for ionization of K- and L-shells of various elements and compared with the available experimental data.

The vibrational spectra and the normal coordinate analysis of thiocarbonye halides /|nby C. R. Subramaniam. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

The infrared and the Raman spectra of eSelF has been obtained for the first time and has been analysed to give the in-plane normal vibrational frequencies of the molecule, in the ground state. A normal co-ordinate analysis has been carried out for the molecules CSF2, CSClF and eSel 2 using a Urey-Bradley type of potential function and the elements of the [L] matrix elements, the distribution of the potential energy in Urey-Bradley space, and the displacement vector diagrams for the normal modes of vibration for these molecules, have been obtained. The bond for~e constants obtained through the normal co-ordinate analysis, have given some interesting results. The stretching force constant, Kes ' varies markedly with halogen substitution and the force constants KeF and Keel also vary with substitution.

Revêtement anti-apoptotique à base de chondroïtine sulfate : vers un stent-graft bioactif

La réparation endovasculaire (EVAR) est une technique minimalement invasive permettant de traiter l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) par l’entremise d’un stent- graft (SG). L’utilisation d’EVAR est actuellement limitée par de fréquentes complications liées à une guérison inadéquate autour de l’implant. Ce manque de guérison est principalement dû au type de recouvrement polymérique des SG, au milieu pro-apoptotique des AAA et à l’accès réduit aux nutriments et à l’oxygène après EVAR. L’objectif de cette thèse consistait à concevoir un revêtement bioactif permettant d’inhiber l’apoptose et stimuler la croissance des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), pour ainsi favoriser la guérison des tissus vasculaires autour des SG. La chondroïtine-4-sulfate (CS) a d’abord été choisie, car elle a été identifiée comme un médiateur important de la réparation vasculaire. Il a été démontré que la CS en solution influence directement la résistance à l’apoptose des CMLV, en plus de favoriser la différenciation myofibroblastique chez les fibroblastes. Dans le cadre de ce projet, un premier revêtement à base de CS et de collagène a été créé. Bien que le revêtement permettait d’induire une résistance à l’apoptose chez les CMLV, il se désintégrait trop rapidement dans des conditions aqueuses. Une nouvelle méthodologie a donc été adaptée afin de greffer la CS directement sur des surfaces aminées, à l’aide d’un système utilisant un carbodiimide. Dans le but d’accroître la croissance des CMLV à la surface des revêtements, le facteur de croissance de l’épiderme (EGF) a ensuite été sélectionné. En plus de ses propriétés mitogéniques et chimiotactiques, l’EGF stimule la production d’éléments de la matrice extracellulaire, comme le collagène et la fibronectine. De plus, l’activation du récepteur de l’EGF inhibe également l’apoptose des CMLV. L’EGF a donc été greffé sur la CS. Le revêtement de CS+EGF a démontré une bonne uniformité et bioactivité sur des surfaces de verre aminé. iii iv Dans une 3ème étape, afin de permettre de transposer ce revêtement bioactif sur des implants, plusieurs méthodes permettant de créer des groupements d’amines primaires sur les biomatériaux polymériques comme le PET ou le ePTFE ont été étudiées. La polymérisation par plasma a été choisie pour créer le revêtement CS+EGF à la surface de PET. Une fois de plus, celui-ci a permis d’inhiber l’apoptose des CMLV, dans des conditions pro-apoptotiques, et de favoriser la croissance des cellules. Le revêtement de CS et d’EGF, déposé sur des surfaces aminées, possède des caractéristiques biologiques intéressantes et semble donc prometteur pour favoriser une meilleure guérison autour des SG.

Structures algébriques, systèmes superintégrables et polynômes orthogonaux

Cette thèse est divisée en cinq parties portant sur les thèmes suivants: l’interprétation physique et algébrique de familles de fonctions orthogonales multivariées et leurs applications, les systèmes quantiques superintégrables en deux et trois dimensions faisant intervenir des opérateurs de réflexion, la caractérisation de familles de polynômes orthogonaux appartenant au tableau de Bannai-Ito et l’examen des structures algébriques qui leurs sont associées, l’étude de la relation entre le recouplage de représentations irréductibles d’algèbres et de superalgèbres et les systèmes superintégrables, ainsi que l’interprétation algébrique de familles de polynômes multi-orthogonaux matriciels. Dans la première partie, on développe l’interprétation physico-algébrique des familles de polynômes orthogonaux multivariés de Krawtchouk, de Meixner et de Charlier en tant qu’éléments de matrice des représentations unitaires des groupes SO(d+1), SO(d,1) et E(d) sur les états d’oscillateurs. On détermine les amplitudes de transition entre les états de l’oscillateur singulier associés aux bases cartésienne et polysphérique en termes des polynômes multivariés de Hahn. On examine les coefficients 9j de su(1,1) par le biais du système superintégrable générique sur la 3-sphère. On caractérise les polynômes de q-Krawtchouk comme éléments de matrices des «q-rotations» de U_q(sl_2). On conçoit un réseau de spin bidimensionnel qui permet le transfert parfait d’états quantiques à l’aide des polynômes de Krawtchouk à deux variables et on construit un modèle discret de l’oscillateur quantique dans le plan à l’aide des polynômes de Meixner bivariés. Dans la seconde partie, on étudie les systèmes superintégrables de type Dunkl, qui font intervenir des opérateurs de réflexion. On examine l’oscillateur de Dunkl en deux et trois dimensions, l’oscillateur singulier de Dunkl dans le plan et le système générique sur la 2-sphère avec réflexions. On démontre la superintégrabilité de chacun de ces systèmes. On obtient leurs constantes du mouvement, on détermine leurs algèbres de symétrie et leurs représentations, on donne leurs solutions exactes et on détaille leurs liens avec les polynômes orthogonaux du tableau de Bannai-Ito. Dans la troisième partie, on caractérise deux familles de polynômes du tableau de Bannai-Ito: les polynômes de Bannai-Ito complémentaires et les polynômes de Chihara. On montre également que les polynômes de Bannai-Ito sont les coefficients de Racah de la superalgèbre osp(1,2). On détermine l’algèbre de symétrie des polynômes duaux -1 de Hahn dans le cadre du problème de Clebsch-Gordan de osp(1,2). On propose une q - généralisation des polynômes de Bannai-Ito en examinant le problème de Racah pour la superalgèbre quantique osp_q(1,2). Finalement, on montre que la q -algèbre de Bannai-Ito sert d’algèbre de covariance à osp_q(1,2). Dans la quatrième partie, on détermine le lien entre le recouplage de représentations des algèbres su(1,1) et osp(1,2) et les systèmes superintégrables du deuxième ordre avec ou sans réflexions. On étudie également les représentations des algèbres de Racah-Wilson et de Bannai-Ito. On montre aussi que l’algèbre de Racah-Wilson sert d’algèbre de covariance quadratique à l’algèbre de Lie sl(2). Dans la cinquième partie, on construit deux familles explicites de polynômes d-orthogonaux basées sur su(2). On étudie les états cohérents et comprimés de l’oscillateur fini et on caractérise une famille de polynômes multi-orthogonaux matriciels.

Studies on Non-Resonant Multiphoton Processes in Atomic Hydrogen

In the present thesis we have formulated the Dalgarno-Lewis procedure for two-and three-photon processes and an elegant alternate expressions are derived. Starting from a brief review on various multiphoton processes we have discussed the difficulties coming in the perturbative treatment of multiphoton processes. A small discussion on various available methods for studying multiphoton processes are presented in chapter 2. These theoretical treatments mainly concentrate on the evaluation of the higher order matrix elements coming in the perturbation theory. In chapter 3 we have described the use of Dalgarno-Lewis procedure and its implimentation on second order matrix elements. The analytical expressions for twophoton transition amplitude, two-photon ionization cross section, dipole dynamic polarizability and Kramers-Heiseberg are obtained in a unified manner. Fourth chapter is an extension of the implicit summation technique presented in chapter 3. We have clearly mentioned the advantage of our method, especially the analytical continuation of the relevant expressions suited for various values of radiation frequency which is also used for efficient numerical analysis. A possible extension of the work is to study various multiphoton processcs from the stark shifted first excited states of hydrogen atom. We can also extend this procedure for studying multiphoton processes in alkali atoms as well as Rydberg atoms. Also, instead of going for analytical expressions, one can try a complete numerical evaluation of the higher order matrix elements using this procedure.

Delta(1232) isobar excitations in nuclear many-body systems from varios NN interactions.

Delta isobar components in the nuclear many-body wave function are investigated for the deuteron, light nuclei (16O), and infinite nuclear matter within the framework of the coupled-cluster theory. The predictions derived for various realistic models of the baryon-baryon interaction are compared to each other. These include local (V28) and nonlocal meson exchange potentials (Bonn2000) but also a model recently derived by the Salamanca group accounting for quark degrees of freedom. The characteristic differences which are obtained for the NDelta and Delta Delta correlation functions are related to the approximation made in deriving the matrix elements for the baryon-baryon interaction.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Many-electron relativistic calculation and interpretation of atomic processes in time dependent heavy-ion scattering

The time dependence of a heavy-ion-atom collision system is solved via a set of coupled channel equations using energy eigenvalues and matrix elements from a self-consistent field relativistic molecular many-electron Dirac-Fock-Slater calculation. Within this independent particle model we give a full many-particle interpretation by performing a small number of single-particle calculations. First results for the P(b) curves for the Ne K-hole excitation for the systems F{^8+} - Ne and F{^6+} - Ne as examples are discussed.