Monte Carlo study of a kinetic lattice model with random diffusion of disorder

We report Monte Carlo results for a nonequilibrium Ising-like model in two and three dimensions. Nearest-neighbor interactions J change sign randomly with time due to competing kinetics. There follows a fast and random, i.e., spin-configuration-independent diffusion of Js, of the kind that takes place in dilute metallic alloys when magnetic ions diffuse. The system exhibits steady states of the ferromagnetic (antiferromagnetic) type when the probability p that J>0 is large (small) enough. No counterpart to the freezing phenomena found in quenched spin glasses occurs. We compare our results with existing mean-field and exact ones, and obtain information about critical behavior.

Reaction-diffusion lattice gas: Theory and computer results

We report on the study of nonequilibrium ordering in the reaction-diffusion lattice gas. It is a kinetic model that relaxes towards steady states under the simultaneous competition of a thermally activated creation-annihilation $(reaction$) process at temperature T, and a diffusion process driven by a heat bath at temperature T?T. The phase diagram as one varies T and T, the system dimension d, the relative priori probabilities for the two processes, and their dynamical rates is investigated. We compare mean-field theory, new Monte Carlo data, and known exact results for some limiting cases. In particular, no evidence of Landau critical behavior is found numerically when d=2 for Metropolis rates but Onsager critical points and a variety of first-order phase transitions.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Effect of growth regulators on 'Brookfield' apple gas diffusion and metabolism under controlled atmosphere storage

The objective of this work was to evaluate the effect of growth regulators on gas diffusion and on metabolism of 'Brookfield' apple, and to determine their correlation with quality characteristics of fruit stored in controlled atmosphere. A completely randomized design was used with four replicates. After eight months of storage, the effects of water (control), aminoethoxyvinylglycine (AVG), AVG + ethephon, AVG + naphthaleneacetic acid (NAA), ethephon + NAA, sole NAA, 1-MCP, ethylene absorption by potassium permanganate (ABS), AVG + ABS, and of AVG + 1-MCP - applied at different rates and periods - were evaluated on: gas diffusion rate, ethylene production, respiratory rate, internal ethylene concentration, internal CO2 content, mealiness, and intercellular space. Fruit from the control and sole NAA treatments had the highest mealiness occurrence. Growth regulators significantly changed the gaseous diffusion through the pulp of 'Brookfield' apple, mainly in the treatment AVG + ABS, which kept the highest gas diffusion rate. NAA spraying in the field, with or without another growth regulator, increased ripening metabolism by rising ethylene production and respiration rate, and reduced gas diffusion during shelf life. AVG spraying cannot avoid the ethephon effect during the ripening process, and reduces both the internal space and mealiness incidence, but it is not able to induce ethylene production or to increase respiration rates.

Management of Metals in the Pulping Process

Diplomityön tarkoituksena oli löytää keino korkean mangaanipitoisuuden hallintaan ECF-valkaisussa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin eri metallien ja kuidun vuorovaikutuksia sekä niiden vaikutuksia prosessiin. Lisäksi käytiin läpi sellunvalmituksen yleisimpiä metallienhallintamenetelmiä. Työn kokeellisessa osassa tehtiin esikokeina laboratoriokokeita, jotta löydettiin oikeat kelatointistrategiat tehdasmittakaavan koeajoille. Laboratoriovalkaisut suoritettiin kuudella eri kemikaalilla käyttäen DD3-pesurin jälkeistä massaa ja samanlaisia parametrejä kuin tehdasvalkaisussa. Kolmesta eri valkaisusekvenssistä paras tulos saavutettiin D0-QEP-sekvenssillä. Tehdasmittakaavan koeajojen tavoitteena oli saavuttaa alle 1 mg/kg jäännösmangaanipitoisuus valkaistussa massassa ja korkeampi vaaleus EOP-vaiheessa pienemmällä klooridioksidin kulutuksella. Koeajoissa käytettiinDTPA:ta ja EDTA:ta kahdeksassa eri koepisteessä. Pienimpiin jäännöspitoisuuksiin päästiin koepisteissä, joissa kelatointiaine annosteltiin ennen valkaisun viimeistä pesuvaihetta tai sen jälkeen. Samanlaisia tuloksia saavutettiin koepisteissä, joissa kelatointiaine lisättiin suoraan EOP-vaiheeseen. Tällöin kelatointiaineen käyttö johti myös korkeampaan vaaleuteen EOP-vaiheessa pienemmällä kappakertoimella kuin referenssissä. Säästöt klooridioksidin kulutuksessa eivät olleet kuitenkaan tarpeeksi suuret kattaakseen kelatointiaineiden käytön kustannuksia. Kustannustehokkain tapa kontrolloida jäännösmangaanipitoisuutta oli EDTA:n annostelu D2 DD-pesurin jälkeen. Haittapuolena tälläisessä kelatoinnissa oli metallikompleksien palautuminen valkaisuun kuivauskoneen kiertoveden mukana. Tärkeimmät onnistuneeseen kelatointiin vaikuttavat parametrit olivat lajittelussa käytetyn rikkihapon annos, D0-vaiheen pH ja D0 DD-pesurin pesutehokkuus.

Input diffusion and the evolution of production networks

What determines which inputs are initially considered and eventually adopted in the productionof new or improved goods? Why are some inputs much more prominent than others? We modelthe evolution of input linkages as a process where new producers first search for potentially usefulinputs and then decide which ones to adopt. A new product initially draws a set of 'essentialsuppliers'. The search stage is then confined to the network neighborhood of the latter, i.e., to theinputs used by the essential suppliers. The adoption decision is driven by a tradeoff between thebenefits accruing from input variety and the costs of input adoption. This has important implicationsfor the number of forward linkages that a product (input variety) develops over time. Inputdiffusion is fostered by network centrality ? an input that is initially represented in many networkneighborhoods is subsequently more likely to be adopted. This mechanism also delivers a powerlaw distribution of forward linkages. Our predictions continue to hold when varieties are aggregatedinto sectors. We can thus test them, using detailed sectoral US input-output tables. We showthat initial network proximity of a sector in 1967 significantly increases the likelihood of adoptionthroughout the subsequent four decades. The same is true for rapid productivity growth in aninput-producing sector. Our empirical results highlight two conditions for new products to becomecentral nodes: initial network proximity to prospective adopters, and technological progress thatreduces their relative price. Semiconductors met both conditions.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Analysis of a finite volume method for a cross-diffusion model in population dynamics

The main goal of this paper is to propose a convergent finite volume method for a reactionâeuro"diffusion system with cross-diffusion. First, we sketch an existence proof for a class of cross-diffusion systems. Then the standard two-point finite volume fluxes are used in combination with a nonlinear positivity-preserving approximation of the cross-diffusion coefficients. Existence and uniqueness of the approximate solution are addressed, and it is also shown that the scheme converges to the corresponding weak solution for the studied model. Furthermore, we provide a stability analysis to study pattern-formation phenomena, and we perform two-dimensional numerical examples which exhibit formation of nonuniform spatial patterns. From the simulations it is also found that experimental rates of convergence are slightly below second order. The convergence proof uses two ingredients of interest for various applications, namely the discrete Sobolev embedding inequalities with general boundary conditions and a space-time $L^1$ compactness argument that mimics the compactness lemma due to Kruzhkov. The proofs of these results are given in the Appendix.

Usability of Virtual Museums and the Diffusion of Cultural Heritage

Les prioritats per als museus canvien. La missió de la nova museologia és convertir els museus en llocs per a gaudir i aprendre, cosa que fa que hagin de dur a terme una gestió financera molt semblant a la d'una empresa social que competeixi en el sector del lleure. Amb el pas del temps, els museus han d'establir i aplicar els criteris necessaris per a la supervivència, aplanant el terreny perquè altres institucions públiques siguin més obertes en els seus esforços per comunicar i difondre el seu patrimoni. Ja podem començar a parlar d'algunes conclusions comunament acceptades sobre el comportament dels visitants, que són necessàries per a planificar exposicions futures que vegin l'aprenentatge com un procés constructiu, les col·leccions com a objectes amb significat i les mateixes exposicions com a mitjans de comunicació que haurien de transformar la manera de pensar de l'espectador i que estan al servei del mateix missatge. Sembla que internet representa un mitjà efectiu per a assolir aquests objectius, ja que és capaç (a) d'adaptar-se als interessos i les característiques intel·lectuals d'un públic divers; (b) de redescobrir els significats dels objectes i adquirir un reconeixement sociocultural del seu valor per mitjà del seu potencial interactiu, i (c) de fer ús d'elements atractius i estimulants perquè tothom en gaudeixi. Per a aquest propòsit, és bàsic fer-nos les preguntes següents: quins criteris ha de seguir un museu virtual per a optimar la difusió del seu patrimoni?; quins elements estimulen els usuaris a quedar-se en una pàgina web i fer visites virtuals que els siguin satisfactòries?; quin paper té la usabilitat de l'aplicació en tot això?

Particle transport method for convection-diffusion-reaction problems

Convective transport, both pure and combined with diffusion and reaction, can be observed in a wide range of physical and industrial applications, such as heat and mass transfer, crystal growth or biomechanics. The numerical approximation of this class of problemscan present substantial difficulties clue to regions of high gradients (steep fronts) of the solution, where generation of spurious oscillations or smearing should be precluded. This work is devoted to the development of an efficient numerical technique to deal with pure linear convection and convection-dominated problems in the frame-work of convection-diffusion-reaction systems. The particle transport method, developed in this study, is based on using rneshless numerical particles which carry out the solution along the characteristics defining the convective transport. The resolution of steep fronts of the solution is controlled by a special spacial adaptivity procedure. The serni-Lagrangian particle transport method uses an Eulerian fixed grid to represent the solution. In the case of convection-diffusion-reaction problems, the method is combined with diffusion and reaction solvers within an operator splitting approach. To transfer the solution from the particle set onto the grid, a fast monotone projection technique is designed. Our numerical results confirm that the method has a spacial accuracy of the second order and can be faster than typical grid-based methods of the same order; for pure linear convection problems the method demonstrates optimal linear complexity. The method works on structured and unstructured meshes, demonstrating a high-resolution property in the regions of steep fronts of the solution. Moreover, the particle transport method can be successfully used for the numerical simulation of the real-life problems in, for example, chemical engineering.

Mobile Communications within the European Union: The Role of Location in the Evolution and Forecasting of the Diffusion Process

In the European Union, the importance of mobile communications was realized early on. The process of mobile communications becoming ubiquitous has taken time, as the innovation of mobile communications diffused into the society. The aim of this study is to find out how the evolution and spatial patterns of the diffusion of mobile communications within the European Union could be taken into account in forecasting the diffusion process. There is relatively lot of research of innovation diffusion on the individual (micro) andthe country (macro) level, if compared to the territorial level. Territorial orspatial diffusion refers either to the intra-country or inter-country diffusionof an innovation. In both settings, the dif- fusion of a technological innovation has gained scarce attention. This study adds knowledge of the diffusion between countries, focusing especially on the role of location in this process. The main findings of the study are the following: The penetration rates of the European Union member countries have become more even in the period of observation, from the year 1981 to 2000. The common digital GSM system seems to have hastened this process. As to the role of location in the diffusion process, neighboring countries have had similar diffusion processes. They can be grouped into three, the Nordic countries, the central and southern European countries, and the remote southern European countries. The neighborhood effect is also domi- nating in thegravity model which is used for modeling the adoption timing of the countries. The subsequent diffusion within a country, measured by the logistic model in Finland, is af- fected positively by its economic situation, and it seems to level off at some 92 %. Considering the launch of future mobile communications systemsusing a common standard should implicate an equal development between the countries. The launching time should be carefully selected as the diffusion is probably delayed in economic downturns. The location of a country, measured by distance, can be used in forecasting the adoption and diffusion. Fi- nally, the result of penetration rates becoming more even implies that in a relatively homoge- nous set of countries, such as the European Union member countries, the estimated final pene- tration of a single country can be used for approximating the penetration of the others. The estimated eventual penetration of Finland, some 92 %, should thus also be the eventual level for all the European Union countries and for the European Union as a whole.