Modelling non-adiabatic processes using correlated electron-ion dynamics

Here we survey the theory and applications of a family of methods (correlated electron-ion dynamics, or CEID) that can be applied to a diverse range of problems involving the non-adiabatic exchange of energy between electrons and nuclei. The simplest method, which is a paradigm for the others, is Ehrenfest Dynamics. This is applied to radiation damage in metals and the evolution of excited states in conjugated polymers. It is unable to reproduce the correct heating of nuclei by current carrying electrons, so we introduce a moment expansion that allows us to restore the spontaneous emission of phonons. Because of the widespread use of Non-Equilibrium Green's Functions for computing electric currents in nanoscale systems, we present a comparison of this formalism with that of CEID with open boundaries. When there is strong coupling between electrons and nuclei, the moment expansion does not converge. We thus conclude with a reworking of the CEID formalism that converges systematically and in a stable manner.

Measuring oxygen reduction/evolution reactions on the nanoscale

The efficiency of fuel cells and metal-air batteries is significantly limited by the activation of oxygen reduction and evolution reactions. Despite the well-recognized role of oxygen reaction kinetics on the viability of energy technologies, the governing mechanisms remain elusive and until now have been addressable only by macroscopic studies. This lack of nanoscale understanding precludes optimization of material architecture. Here, we report direct measurements of oxygen reduction/evolution reactions and oxygen vacancy diffusion on oxygen-ion conductive solid surfaces with sub-10 nm resolution. In electrochemical strain microscopy, the biased scanning probe microscopy tip acts as a moving, electrocatalytically active probe exploring local electrochemical activity. The probe concentrates an electric field in a nanometre-scale volume of material, and bias-induced, picometre-level surface displacements provide information on local electrochemical processes. Systematic mapping of oxygen activity on bare and platinum-functionalized yttria-stabilized zirconia surfaces is demonstrated. This approach allows direct visualization of the oxygen reduction/evolution reaction activation process at the triple-phase boundary, and can be extended to a broad spectrum of oxygen-conductive and electrocatalytic materials.

Implications of Intercellular Signaling for Radiation Therapy: A Theoretical Dose-Planning Study

Purpose
Recent in vitro results have shown significant contributions to cell killing from signaling effects at doses that are typically used in radiation therapy. This study investigates whether these in vitro observations can be reconciled with in vivo knowledge and how signaling may have an impact on future developments in radiation therapy.
Methods and Materials
Prostate cancer treatment plans were generated for a series of 10 patients using 3-dimensional conformal therapy, intensity modulated radiation therapy (IMRT), and volumetric modulated arc therapy techniques. These plans were evaluated using mathematical models of survival following modulated radiation exposures that were developed from in vitro observations and incorporate the effects of intercellular signaling. The impact on dose-volume histograms and mean doses were evaluated by converting these survival levels into "signaling-adjusted doses" for comparison.
Results
Inclusion of intercellular communication leads to significant differences between the signalling-adjusted and physical doses across a large volume. Organs in low-dose regions near target volumes see the largest increases, with mean signaling-adjusted bladder doses increasing from 23 to 33 Gy in IMRT plans. By contrast, in high-dose regions, there is a small decrease in signaling-adjusted dose due to reduced contributions from neighboring cells, with planning target volume mean doses falling from 74 to 71 Gy in IMRT. Overall, however, the dose distributions remain broadly similar, and comparisons between the treatment modalities are largely unchanged whether physical or signaling-adjusted dose is compared. Conclusions Although incorporating cellular signaling significantly affects cell killing in low-dose regions and suggests a different interpretation for many phenomena, their effect in high-dose regions for typical planning techniques is comparatively small. This indicates that the significant signaling effects observed in vitro are not contradicted by comparison with clinical observations. Future investigations are needed to validate these effects in vivo and to quantify their ranges and potential impact on more advanced radiation therapy techniques.

Design Method for Circularly Polarized Fabry-Perot Cavity Antennas

A new class of circularly polarized (CP) Fabry-Perot cavity antennas is introduced that maintain the simplicity of a linearly polarized primary feed and a single cavity structure. The proposed antennas employ a double-sided partially reflective surface (PRS), which allows independent control of the magnitude and phase responses for the reflection and transmission coefficients. In conjunction with an anisotropic high-impedance surface (HIS) ground plane, this arrangement allows for the first time a single cavity antenna to produce a specified gain in CP from a linearly polarized primary source. A design procedure for this class of antennas is introduced. The method exploits a simple ray optics model to calculate the magnitude and phase of the electric field in the cavity upon plane wave excitation. Based on this model, analytical expressions are derived, which enforce the resonance condition for both polarizations at a predetermined PRS reflectivity (and hence predetermined antenna gain) together with a 90 degrees differential phase between them. The validity of the concept is confirmed by means of an example entailing an antenna with gain of approximately 21 dB at 15 GHz. Full-wave simulation results and experimental testing on a fabricated prototype are presented and agree well with the theoretical predictions.

Efeitos genotóxicos e bioquímicos de xenobióticos em animais aquáticos

No presente trabalho, foi estudado um largo espectro de efeitos genotóxicos e bioquímicos na tainha-garrento (Liza aurata). Nos Capítulos II e III são descritos os efeitos de exposição de curta duração ao fenantreno, um hidrocarboneto aromático policíclico (HAP). A exposição de curta duração (16 horas) demonstrou a capacidade deste composto induzir a actividade da enzima de fase I da biotransformação, etoxiresorufina O-desetilase (EROD), provocar decréscimos de integridade no ADN hepático e aumento de anomalias nucleares eritrocíticas (ANE). Em termos de respostas de stresse, os níveis plasmáticos de cortisol e glucose aumentaram face à exposição a este HAP. A exposição ao fenantreno induziu o decréscimo da glutationa peroxidase (GPx) nas guelras, enquanto que no fígado a actividade da GPx aumentou. No rim, a actividade da glutationa S-transferase (GST) foi inibida. Nas guelras, verificou-se um aumento da catalase. O fenantreno demonstrou igualmente a capacidade de induzir um aumento dos níveis de glutationa nas guelras e fígado. Estas respostas demonstraram a sensibilidade de L. aurata, a este HAP, realçando a especificidade das respostas em termos de órgãos. Apesar dos aumentos das defesas antioxidantes, o potencial tóxico deste composto foi demonstrado pelo aumento da peroxidação lipídica nos três órgãos. Nos capítulos seguintes, são descritas as respostas de L. aurata capturada na Ria de Aveiro, em locais com diferentes perfis de contaminação, inicialmente no Outono de 2005 (Capítulos III a IX) e posteriormente analisando respostas sazonais (Capítulos X e XI). A análise de respostas de stresse (cortisol, glucose e lactato) revelou que L. aurata capturada em Vagos (local contaminado por HAPs) apresentava níveis baixos de cortisol, enquanto que no Laranjo (local contaminado por mercúrio) apresentavam elevados níveis de glucose e lactato. Relativamente às hormonas do eixo hipotálamo – hipófise – tiróide (HHT), foram observados elevados níveis plasmáticos da hormona estimuladora da tiróide (TSH) nos organismos capturados no Laranjo, baixos níveis de tiroxina (T4) nos organismos da Barra (local sujeito a tráfego naval) e baixos níveis de triiodotironina (T3) no Rio Novo do Príncipe (próximo de um antigo efluente de pasta de papel), Laranjo e Vagos. A avaliação das defesas antioxidantes, dano oxidativo e genotóxico nas guelras, rim e fígado revelou diferenças significativas nas respostas dos órgãos. L. aurata capturada na Barra apresentou dano oxidativo nas guelras (Capítulo V). No rim foi detectada uma diminuição da integridade do ADN no Rio Novo do Príncipe e Vagos (Capítulo VI), enquanto que no fígado foi observado dano lipídico na Gafanha e Vagos (Capítulo VIII). O dano não esteve sempre associado a um decréscimo das defesas. As análises da água e do sedimento da Ria de Aveiro (Outono de 2005) revelaram elevadas concentrações de metais (Cd, Hg, Cu e Zn),principalmente, no Laranjo e Rio Novo do Príncipe. L. aurata capturada nestes locais apresentou os níveis mais elevados de metalotioninas hepáticas (Capítulo VII) que parecem responsáveis pela inexistência de danos no fígado (Capítulo VIII). O dano oxidativo no ADN, avaliado através da quantificação dos níveis plasmáticos de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG) e o dano clastogénico/aneugénico, avaliado através da quantificação da frequência de ANE, foram estudados, no Outono de 2005, em duas espécies de peixes (L. aurata e Dicentrarchus labrax - robalo) (Capítulo IX). Os resultados revelaram grande sensibilidade de D. labrax em termos de dano oxidativo no ADN na Gafanha, Rio Novo do Príncipe e Vagos, enquanto que L. aurata apresentou dano oxidativo apenas no Laranjo. O aumento da frequência de ANE apenas foi detectado em L. aurata, em Vagos, não se tendo detectado correlação entre estes dois parâmetros. O estudo sazonal (Maio de 2006 a Março de 2007) do dano oxidativo no ADN e frequência de ANE em L. aurata (Capítulo X) demonstrou a variação destes parâmetros com a estação do ano, apesar de não se ter verificado correlação com os parâmetros hidrológicos determinados. No entanto, no local de referência não se verificaram diferenças sazonais, o que sugere que estes biomarcadores reflectem variações de biodisponibilidade de contaminantes. A análise global dos resultados das diferentes estações do ano revelou que L. aurata capturada no Rio Novo do Príncipe e em Vagos apresentou maior susceptibilidade a dano oxidativo no ADN. No entanto, apenas L. aurata capturada em Vagos apresentou frequência de ANE superior à do local de referência. Os dados do estudo sazonal revelaram uma correlação entre dano oxidativo e ANE, sugerindo o stresse oxidativo como um possível mecanismo envolvido na formação de anomalias. A integridade do ADN das guelras, rim, fígado e sangue de L. aurata foi igualmente estudada ao longo de um ano (Capítulo XI), tendo-se verificado uma grande variabilidade ao longo deste período. Não foi demonstrada sensibilidade a um perfil de contaminação específico, tendo-se verificando variabilidade sazonal no local de referência. Globalmente, os resultados demonstraram a importância da utilização de uma bateria de biomarcadores na monitorização ambiental e a especificidade da resposta dos diferentes órgãos de L. aurata.

Monte Carlo studies of phase transitions and adsorption : application to n-6 Lennard-Jones, C60 and zeolite systems

The solid-fluid transition properties of the n - 6 Lennard-Jones system are studied by means of extensive free energy calculations. Different values of the parameter n which regulates the steepness of the short-range repulsive interaction are investigated. Furthermore, the free energies of the n < 12 systems are calculated using the n = 12 system as a reference. The method relies on a generalization of the multiple histogram method that combines independent canonical ensemble simulations performed with different Hamiltonians and computes the free energy difference between them. The phase behavior of the fullerene C60 solid is studied by performing NPT simulations using atomistic models which treat each carbon in the molecule as a separate interaction site with additional bond charges. In particular, the transition from an orientationally frozen phase at low temperatures to one where the molecules are freely rotating at higher temperatures is studied as a function of applied pressure. The adsorption of molecular hydrogen in the zeolite NaA is investigated by means of grand-canonical Monte Carlo, in a wide range of temperatures and imposed gas pressures, and results are compared with available experimental data. A potential model is used that comprises three main interactions: van der Waals, Coulomb and induced polarization by the permanent electric field in the zeolite.

Identificação de indicadores moleculares de bem-estar durante o cultivo de dourada (Sparus aurata, Linnaeus 1758), utilizando técnicas de proteómica

Dissertação de Mestrado, Biologia Marinha, Especialização em Biotecnologia Marinha, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve, 2008

Neuroendocrinology of cooperation: the role of neuropeptides on the modulation of mutualistic behaviour of the Indo-Pacific Cleaner Wrasse (Labroides dimidiatus)

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, da Terra e do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Estudo do impacto energético, económico e ambiental da penetração de veículos eléctricos num sistema isolado

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Aproveitamento da energia das correntes marítimas

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica

Impacto económico, energético e ambiental da produção renovável na Ilha Terceira

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Aplicação de um ciclo orgânico de Rankine à indústria Naval

Trabalho Final de Mestrado para obtenção de grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Caracterização dos consumos energéticos e estudo do potencial de melhoria da eficiência energética em edifícios de escritórios

A forte preocupação ambiental, nomeadamente a emissão de Gases com Efeito de Estufa (GEE), aliada à constante ameaça do esgotamento dos combustíveis de origem fóssil, leva à necessidade de consumir energia de forma mais eficiente. Neste sentido, surge a promoção da eficiência energética nos diversos sectores consumidores de energia em todo o Mundo. Sabendo que passamos mais de 80% do nosso tempo dentro de edifícios, e que cerca de 40% da energia mundial é consumida nos mesmos [ADENE], é importante operar no sentido de promover a utilização racional de energia e incentivar ao consumo eficiente da mesma nos edifícios. Apesar do esforço que tem sido realizado a nível nacional, no sentido de melhorar a eficiência energética em edifícios de serviços, através da implementação de legislação diversa e de vários programas de incentivo, existem ainda várias lacunas a serem colmatadas e muito trabalho a fazer nesse sentido. Por tudo isto, e principalmente por ter constantemente em mente premissas como “a energia mais barata é aquela que não se consome” ou “não podemos gerir aquilo que não medimos”, surgiu a ideia de realizar esta dissertação, onde inicialmente através de dados provenientes de telecontagem se desenvolve uma tentativa de padronização/tipificação do consumo eléctrico em seis edifícios de escritórios, identificando-se assim algumas situações anómalas em diversos diagramas de carga construídos. Relaciona-se também o consumo eléctrico dos seis edifícios com algumas variáveis exógenas, de modo a perceber a influência das mesmas no consumo eléctrico de cada edifício. Numa vertente mais prática, foram identificadas e quantificadas potenciais medidas de melhoria, comportamentais e técnicas, num dos edifícios em estudo, de modo a poder contribuir para a redução do consumo energético do mesmo. Espera-se que este trabalho, possa eventualmente constituir uma ajuda na caracterização de consumos e detecção de medidas de melhoria em edifícios de escritórios, alcançando a eficiência energética neste tipo de instalações e facilitando assim o trabalho de vários profissionais do sector. Pretende-se igualmente demonstrar a importância da eficiência energética na gestão do uso da energia eléctrica em edifícios, e efectuar um paralelo entre a energia economizada por meio da implementação de medidas/acções de uso racional e eficiente, com a redução da queima de combustíveis fosseis na geração de energia eléctrica e a sua consequente redução nas emissões de dióxido de carbono (CO2), com o objectivo final de melhorar a qualidade de vida no nosso planeta.

Produção Sustentável em BT- Análise de Características de Contadores Inteligentes

A crescente necessidade de reduzir a dependência energética e a emissão de gases de efeito de estufa levou à adoção de uma série de políticas a nível europeu com vista a aumentar a eficiência energética e nível de controlo de equipamentos, reduzir o consumo e aumentar a percentagem de energia produzida a partir de fontes renováveis. Estas medidas levaram ao desenvolvimento de duas situações críticas para o setor elétrico: a substituição das cargas lineares tradicionais, pouco eficientes, por cargas não-lineares mais eficientes e o aparecimento da produção distribuída de energia a partir de fontes renováveis. Embora apresentem vantagens bem documentadas, ambas as situações podem afetar negativamente a qualidade de energia elétrica na rede de distribuição, principalmente na rede de baixa tensão onde é feita a ligação com a maior parte dos clientes e onde se encontram as cargas não-lineares e a ligação às fontes de energia descentralizadas. Isto significa que a monitorização da qualidade de energia tem, atualmente, uma importância acrescida devido aos custos relacionados com perdas inerentes à falta de qualidade de energia elétrica na rede e à necessidade de verificar que determinados parâmetros relacionados com a qualidade de energia elétrica se encontram dentro dos limites previstos nas normas e nos contratos com clientes de forma a evitar disputas ou reclamações. Neste sentido, a rede de distribuição tem vindo a sofrer alterações a nível das subestações e dos postos de transformação que visam aumentar a visibilidade da qualidade de energia na rede em tempo real. No entanto, estas medidas só permitem monitorizar a qualidade de energia até aos postos de transformação de média para baixa tensão, não revelando o estado real da qualidade de energia nos pontos de entrega ao cliente. A monitorização nestes pontos é feita periodicamente e não em tempo real, ficando aquém do necessário para assegurar a deteção correta de problemas de qualidade de energia no lado do consumidor. De facto, a metodologia de monitorização utilizada atualmente envolve o envio de técnicos ao local onde surgiu uma reclamação ou a um ponto de medição previsto para instalar um analisador de energia que permanece na instalação durante um determinado período de tempo. Este tipo de monitorização à posteriori impossibilita desde logo a deteção do problema de qualidade de energia que levou à reclamação, caso não se trate de um problema contínuo. Na melhor situação, o aparelho poderá detetar uma réplica do evento, mas a larga percentagem anomalias ficam fora deste processo por serem extemporâneas. De facto, para detetar o evento que deu origem ao problema é necessário monitorizar permanentemente a qualidade de energia. No entanto este método de monitorização implica a instalação permanente de equipamentos e não é viável do ponto de vista das empresas de distribuição de energia já que os equipamentos têm custos demasiado elevados e implicam a necessidade de espaços maiores nos pontos de entrega para conter os equipamentos e o contador elétrico. Uma alternativa possível que pode tornar viável a monitorização permanente da qualidade de energia consiste na introdução de uma funcionalidade de monitorização nos contadores de energia de determinados pontos da rede de distribuição. Os contadores são obrigatórios em todas as instalações ligadas à rede, para efeitos de faturação. Tradicionalmente estes contadores são eletromecânicos e recentemente começaram a ser substituídos por contadores inteligentes (smart meters), de natureza eletrónica, que para além de fazer a contagem de energia permitem a recolha de informação sobre outros parâmetros e aplicação de uma serie de funcionalidades pelo operador de rede de distribuição devido às suas capacidades de comunicação. A reutilização deste equipamento com finalidade de analisar a qualidade da energia junto dos pontos de entrega surge assim como uma forma privilegiada dado que se trata essencialmente de explorar algumas das suas características adicionais. Este trabalho tem como objetivo analisar a possibilidade descrita de monitorizar a qualidade de energia elétrica de forma permanente no ponto de entrega ao cliente através da utilização do contador elétrico do mesmo e elaborar um conjunto de requisitos para o contador tendo em conta a normalização aplicável, as características dos equipamentos utilizados atualmente pelo operador de rede e as necessidades do sistema elétrico relativamente à monitorização de qualidade de energia.

Fate map of zebrafish left-right organizer

The organizer is a ciliated signalling transient organ, responsible for the patterning of embryo tissues during embryonic development. In higher vertebrates, such as mouse and chick, this organizer (the node and the Hensen’s node, respectively) performs dorsalventral and anteriorposterior axis definition, as well as left-right patterning of the internal organs. In lower vertebrates, such as frog and zebrafish, there is a separate specialized organ for left-right purposes called the Gastrocoel Roof Plate (GRP) and Kupffer’s Vesicle (KV), respectively. It is known that mouse and chick organizer cells give rise to structures like floor plate, notochord, hypochord and somites. Frog GRP originates all these but floor plate. In zebrafish, at 13-14 somite stage (ss) the KV finished its left-right patterning but what happens to this organizer’ cells is still poorly studied. This research attempts to understand the fate and behaviour of the KV cells. We followed the fate of KV cells by live imaging and by tight time-courses with fixed larvae. We assessed in detail their proliferative and death profile, as well as cilia length progression from 9-10 ss until 29-30 ss. We conclude that the KV cells mostly follow the evolutionarily conserved fates described for other organizers. These cells mainly incorporate the notochord and hypochord; few cells incorporate the floor plate and the somites. As a novelty, it is also hypothesized that the hypural cell fate may be among the KV cell fates.