930 resultados para Energetic


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In this work, density functional theory calculations have been performed to study the geometric, electronic, and energetic properties of two-phase TiO2 composites built by joining two single-phase TiO2 slabs, aiming at verifying possible improvement of the photo-activities of the composites through phase separation of excitons. We find that such desired electronic properties can be determined by several factors. When both the HOMO and LUMO levels of one of the two single-phase TiO2 slabs are higher than the corresponding ones of the other, the composite may have native electronic structures with phase-separated HOMO-LUMO states, especially when the two slabs exhibit highly matched surface lattices. For those pairs of TiO2 slabs with the HOMO and LUMO levels of one phase being within the range of those of the other, though the energetically favored composite give HOMO-LUMO states within one phase, one may still be able to separate them and move the HOMO state to the interface region by destabilizing the interactions between the two slabs.

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CO oxidation on Pt(111) is studied with ab initio density functional theory. The low energy pathway and transition state for the reaction are identified. The key event is the breaking of an O-metal bond prior to the formation of a chemisorbed CO2 molecule. The pathway can be rationalized in terms of competition of the O and C atoms for bonding with the underlying surface, and the predominant energetic barrier is the strength of the O-metal bond.

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Electron–positron (e–p) plasmas are widely thought to be emitted, in the form of ultra-relativistic winds or collimated jets, by some of the most energetic or powerful objects in the Universe, such as black-holes, pulsars, and quasars. These phenomena represent an unmatched astrophysical laboratory to test physics at its limit and, given their immense distance from Earth (some even farther than several billion light years), they also provide a unique window on the very early stages of our Universe. However, due to such gigantic distances, their properties are only inferred from the indirect interpretation of their radiative signatures and from matching numerical models: their generation mechanism and dynamics still pose complicated enigmas to the scientific community. Small-scale reproductions in the laboratory would represent a fundamental step towards a deeper understanding of this exotic state of matter. Here we present recent experimental results concerning the laser-driven production of ultra-relativistic e–p beams. In particular, we focus on the possibility of generating beams that present charge neutrality and that allow for collective effects in their dynamics, necessary ingredients for the testing pair-plasma physics in the laboratory. A brief discussion of the analytical and numerical modelling of the dynamics of these plasmas is also presented in order to provide a summary of the novel plasma physics that can be accessed with these objects. Finally, general considerations on the scalability of laboratory plasmas up to astrophysical scenarios are given.

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Introduction: The 'scaly-foot gastropod' (Chrysomallon squamiferum Chen et al., 2015) from deep-sea hydrothermal vent ecosystems of the Indian Ocean is an active mobile gastropod occurring in locally high densities, and it is distinctive for the dermal scales covering the exterior surface of its foot. These iron-sulfide coated sclerites, and its nutritional dependence on endosymbiotic bacteria, are both noted as adaptations to the extreme environment in the flow of hydrogen sulfide. We present evidence for other adaptations of the 'scaly-foot gastropod' to life in an extreme environment, investigated through dissection and 3D tomographic reconstruction of the internal anatomy.

Results: Our anatomical investigations of juvenile and adult specimens reveal a large unganglionated nervous system, a simple and reduced digestive system, and that the animal is a simultaneous hermaphrodite. We show that Chrysomallon squamiferum relies on endosymbiotic bacteria throughout post-larval life. Of particular interest is the circulatory system: Chrysomallon has a very large ctenidium supported by extensive blood sinuses filled with haemocoel. The ctenidium provides oxygen for the host but the circulatory system is enlarged beyond the scope of other similar vent gastropods. At the posterior of the ctenidium is a remarkably large and well-developed heart. Based on the volume of the auricle and ventricle, the heart complex represents approximately 4 % of the body volume. This proportionally giant heart primarily sucks blood through the ctenidium and supplies the highly vascularised oesophageal gland. Thus we infer the elaborate cardiovascular system most likely evolved to oxygenate the endosymbionts in an oxygen poor environment and/or to supply hydrogen sulfide to the endosymbionts.

Conclusions: This study exemplifies how understanding the autecology of an organism can be enhanced by detailed investigation of internal anatomy. This gastropod is a large and active species that is abundant in its hydrothermal vent field ecosystem. Yet all of its remarkable features-protective dermal sclerites, circulatory system, high fecundity-can be viewed as adaptations beneficial to its endosymbiont microbes. We interpret these results to show that, as a result of specialisation to resolve energetic needs in an extreme chemosynthetic environment, this dramatic dragon-like species has become a carrying vessel for its bacteria.

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The linear and nonlinear properties of small-amplitude electron-acoustic solitary waves are investigated via the fluid dynamical approach. A three-component plasma is considered, composed of hot electrons, cold electrons, and ions (considered stationary at the scale of interest). A dissipative (wave damping) effect is assumed due to electron-neutral collisions. The background (hot) electrons are characterized by an energetic (excessively superthermal) population and are thus modeled via a κ-type nonthermal distribution. The linear characteristics of electron-acoustic excitations are discussed, for different values of the plasma parameters (superthermality index κ and cold versus hot electron population concentration β). Large wavelengths (beyond a threshold value) are shown to be overdamped. The reductive perturbation technique is used to derive a dissipative Korteweg de-Vries (KdV) equation for small-amplitude electrostatic potential disturbances. These are expressed by exact solutions in the form of dissipative solitary waves, whose dynamics is investigated analytically and numerically. Our results should be useful in elucidating the behavior of space and experimental plasmas characterized by a coexistence of electron populations at different temperatures, where electron-neutral collisions are of relevance.

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We describe experiments designed to produce a bright M-L band x-ray source in the 3-3.5 keV region. Palladium targets irradiated with a 10(15) W cm(-2) laser pulse have previously been shown to convert up to similar to 2% of the laser energy into M-L band x-rays with similar pulse duration to that of the incident laser. This x-ray emission is further characterized here, including pulse duration and source size measurements, and a higher conversion efficiency than previously achieved is demonstrated (similar to 4%) using more energetic and longer duration laser pulses (200 ps). The emission near the aluminium K-edge (1.465-1.550 keV) is also reported for similar conditions, along with the successful suppression of such lower band x-rays using a CH coating on the rear side of the target. The possibility of using the source to radiatively heat a thin aluminium foil sample to uniform warm dense matter conditions is discussed.

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This paper presents a current and turbulence measurement campaign conducted at a test site in an energetic tidal channel known as Strangford Narrows, Northern Ireland. The data was collected as part of the MaRINET project funded by the EU under their FP7 framework. It was a collaborative effort between Queen’s University Belfast, SCHOTTEL and Fraunhofer IWES. The site is highly turbulent with a strong shear flow. Longer term measurements of the flow regime were made using a bottom mounted Acoustic Doppler Profiler (ADP). During a specific turbulence measurement campaign, two collocated in- struments were used to measure incoming flow characteristics: an ADP (Aquadopp, Nortek) and a turbulence profiler (MicroRider, Rockland Scientific International). The instruments recorded the same incoming flow, so that direct comparisons between the data can be made. In this study the methodology adopted to deploy the instruments is presented. The resulting turbulence measurements using the different types of instrumentation are compared and the usefulness of each instrument for the relevant range of applications is discussed. The paper shows the ranges of the frequency spectra obtained using the different instruments, with the combined measurements providing insight into the structure of the turbulence across a wide range of scales.

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The collective response of charged particles to intense fields is intrinsic to plasma accelerators and radiation sources, relativistic optics and many astrophysical phenomena. Here we show that a relativistic plasma aperture is generated in thin foils by intense laser light, resulting in the fundamental optical process of diffraction. The plasma electrons collectively respond to the resulting laser near-field diffraction pattern, producing a beam of energetic electrons with a spatial structure that can be controlled by variation of the laser pulse parameters. It is shown that static electron-beam and induced-magnetic-field structures can be made to rotate at fixed or variable angular frequencies depending on the degree of ellipticity in the laser polarization. The concept is demonstrated numerically and verified experimentally, and is an important step towards optical control of charged particle dynamics in laser-driven dense plasma sources.

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Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

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The interaction of high‐intensity laser pulses with matter releases instantaneously ultra‐large currents of highly energetic electrons, leading to the generation of highly‐transient, large‐amplitude electric and magnetic fields. We report results of recent experiment in which such charge dynamics have been studied by using proton probing techniques able to provide maps of the electrostatic fields with high spatial and temporal resolution. The dynamics of ponderomotive channelling in underdense plasmas have been studied in this way, as also the processes of Debye sheath formation and MeV ion front expansion at the rear of laser‐irradiated thin metallic foils. An application employing laser‐driven impulsive fields for energy‐selective ion beam focusing is also presented.

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State-of-the-art high power lasers can exert immense pressure on thin foils which can be used to accelerate energetic ion beams efficiently at the laser plasma interface.

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An investigation of the propagation of ion acoustic waves in nonthermal plasmas in the presence of trapped electrons has been undertaken. This has been motivated by space and laboratory plasma observations of plasmas containing energetic particles, resulting in long-tailed distributions, in combination with trapped particles, whereby some of the plasma particles are confined to a finite region of phase space. An unmagnetized collisionless electron-ion plasma is considered, featuring a non-Maxwellian-trapped electron distribution, which is modelled by a kappa distribution function combined with a Schamel distribution. The effect of particle trapping has been considered, resulting in an expression for the electron density. Reductive perturbation theory has been used to construct a KdV-like Schamel equation, and examine its behaviour. The relevant configurational parameters in our study include the superthermality index κ and the characteristic trapping parameter β. A pulse-shaped family of solutions is proposed, also depending on the weak soliton speed increment u0. The main modification due to an increase in particle trapping is an increase in the amplitude of solitary waves, yet leaving their spatial width practically unaffected. With enhanced superthermality, there is a decrease in both amplitude and width of solitary waves, for any given values of the trapping parameter and of the incremental soliton speed. Only positive polarity excitations were observed in our parametric investigation. 

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Charge changing processes of MeV ions penetrating through liquid spray is confirmed to be abundant source of various energetic negative ion and neutral atom beams its generic nature is demonstrated.

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A sociedade moderna encontra-se cada vez mais dependente dos combustíveis líquidos bem como de produtos derivados do petróleo. Em virtude do limitado tempo de vida das reservas naturais de petróleo, torna-se imperativo encontrar fontes alternativas de produção de hidrocarbonetos. A pirólise de resíduos de pneus e plásticos pode ser uma dessas possíveis fontes. Neste processo, o tratamento termoquímico implementado aos resíduos permite, não só, a valorização económica resultante da sua transformação em produtos de valor acrescido, como também a recuperação do conteúdo orgânico. O referido processo conduz à formação de hidrocarbonetos em fase líquida que podem ser utilizados pela indústria como combustíveis líquidos e/ou como matéria-prima. O presente trabalho tem como objectivo principal a definição das condições experimentais mais propícias à obtenção de combustíveis líquidos (maximização) resultantes da pirólise de misturas de resíduos de borracha de pneus e plásticos nomeadamente polietileno (PE), polipropileno (PP) e poliestireno (PS). Como instrumento de optimização das condições experimentais optou-se pela Metodologia dos Planos Factoriais de Ensaios. Os resultados experimentais obtidos mostram que as taxas de conversão em fase líquida podem atingir valores superiores a 80% (m/m) dependendo das condições experimentais utilizadas bem como do tipo e mistura de resíduos a pirolisar. Os rendimentos das fracções gasosa e sólida podem atingir valores na ordem dos 5% e 12% (respectivamente). Foi também estudado o efeito das condições experimentais nomeadamente a temperatura de reacção, pressão inicial, tempo de reacção e composição da mistura. Este estudo revelou que a maximização da fracção líquida é favorecida por uma temperatura de ensaio de 370ºC, uma pressão inicial de 0,48MPa e um tempo de ensaio de 15 minutos. Relativamente à composição da mistura, os melhores resultados foram obtidos com 30% (m/m) de resíduos de borracha de pneus (BP) associados a uma mistura de 70% (m/m) de resíduos de plásticos composta por 20% polietileno, 30% polipropileno e 20% poliestireno. Igualmente foi feita a caracterização física e química da matéria-prima e dos produtos obtidos pelo referido processo, bem como, o estudo da presença de diferentes substâncias potencialmente doadores de hidrogénio ao meio reaccional de forma a melhorar o rendimento líquido. Por último, foram realizados estudos cinéticos das reacções químicas de formação dos diferentes produtos aos resíduos de borracha de pneus (BP), misturas de resíduos de plástico (PE, PP e PS) e suas misturas. Ainda, foram ajustados os resultados obtidos pelo modelo teórico aos resultados experimentais, propostos mecanismos reaccionais de formação dos produtos e calculados os parâmetros cinéticos. De acordo com os resultados obtidos, a pirólise pode representar um papel significativo na valorização energética e orgânica destes resíduos apesar de, ainda, ser necessário o desenvolvimento de alguns aspectos tecnológicos de modo a tornar mais atraente a implementação desta tecnologia à escala industrial.

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As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.