A new high-order Fourier continuation-based elasticity solver for complex three-dimensional geometries

This thesis presents a new approach for the numerical solution of three-dimensional problems in elastodynamics. The new methodology, which is based on a recently introduced Fourier continuation (FC) algorithm for the solution of Partial Differential Equations on the basis of accurate Fourier expansions of possibly non-periodic functions, enables fast, high-order solutions of the time-dependent elastic wave equation in a nearly dispersionless manner, and it requires use of CFL constraints that scale only linearly with spatial discretizations. A new FC operator is introduced to treat Neumann and traction boundary conditions, and a block-decomposed (sub-patch) overset strategy is presented for implementation of general, complex geometries in distributed-memory parallel computing environments. Our treatment of the elastic wave equation, which is formulated as a complex system of variable-coefficient PDEs that includes possibly heterogeneous and spatially varying material constants, represents the first fully-realized three-dimensional extension of FC-based solvers to date. Challenges for three-dimensional elastodynamics simulations such as treatment of corners and edges in three-dimensional geometries, the existence of variable coefficients arising from physical configurations and/or use of curvilinear coordinate systems and treatment of boundary conditions, are all addressed. The broad applicability of our new FC elasticity solver is demonstrated through application to realistic problems concerning seismic wave motion on three-dimensional topographies as well as applications to non-destructive evaluation where, for the first time, we present three-dimensional simulations for comparison to experimental studies of guided-wave scattering by through-thickness holes in thin plates.

Theory of ozone isotopic effects and various electron transfer reactions

Three separate topics, each stimulated by experiments, are treated theoretically in this dessertation: isotopic effects of ozone, electron transfer at interfaces, and intramolecular directional electron transfer in a supramolecular system.

The strange mass-independent isotope effect for the enrichment of ozone, which has been a puzzle in the literature for some 20 years, and the equally puzzling unconventional strong mass-dependent effect of individual reaction rate constants are studied as different aspects of a symmetry-driven behavior. A statistical (RRKM-based) theory with a hindered-rotor transition state is used. The individual rate constant ratios of recombination reactions at low pressures are calculated using the theory involving (1) small deviation from the statistical density of states for symmetric isotopomers, and (2) weak collisions for deactivation of the vibrationally excited ozone molecules. The weak collision and partitioning among exit channels play major roles in producing the large unconventional isotope effect in "unscrambled" systems. The enrichment studies reflect instead the non-statistical effect in "scrambled" systems. The theoretical results of low-pressure ozone enrichments and individual rate constant ratios obtained from these calculations are consistent with the corresponding experimental results. The isotopic exchange rate constant for the reaction ^(16)O + ^(18)O ^(18)O→+ ^(16)O ^(18)O + ^(18)O provides information on the nature of a variationally determined hindered-rotor transition state using experimental data at 130 K and 300 K. Pressure effects on the recombination rate constant, on the individual rate constant ratios and on the enrichments are also investigated. The theoretical results are consistent with the experimental data. The temperature dependence of the enrichment and rate constant ratios is also discussed, and experimental tests are suggested. The desirability of a more accurate potential energy surface for ozone in the transition state region is also noted.

Electron transfer reactions at semiconductor /liquid interfaces are studied using a tight-binding model for the semiconductors. The slab method and a z-transform method are employed in obtaining the tight-binding electronic structures of semiconductors having surfaces. The maximum electron transfer rate constants at Si/viologen^(2-/+) and InP /Me_(2)Fc^(+/O) interfaces are computed using the tight-binding type calculations for the solid and the extended-Huckel for the coupling to the redox agent at the interface. These electron transfer reactions are also studied using a free electron model for the semiconductor and the redox molecule, where Bardeen's method is adapted to calculate the coupling matrix element between the molecular and semiconductor electronic states. The calculated results for maximum rate constant of the electron transfer from the semiconductor bulk states are compared with the experimentally measured values of Lewis and coworkers, and are in reasonable agreement, without adjusting parameters. In the case of InP /liquid interface, the unusual current vs applied potential behavior is additionally interpreted, in part, by the presence of surface states.

Photoinduced electron transfer reactions in small supramolecular systems, such as 4-aminonaphthalimide compounds, are interesting in that there are, in principle, two alternative pathways (directions) for the electron transfer. The electron transfer, however, is unidirectional, as deduced from pH-dependent fluorescence quenching studies on different compounds. The role of electronic coupling matrix element and the charges in protonation are considered to explain the directionality of the electron transfer and other various results. A related mechanism is proposed to interpret the fluorescence behavior of similar molecules as fluorescent sensors of metal ions.

Participação do L-NAME, da L-arginina e da N-acetilcisteína no enfisema pulmonar induzido por fumaça de cigarro em camundongos

O óxido nítrico (NO) constitui um dos mais importantes mediadores intra e extracelulares e tem sido descrita sua participação tanto em processos biológicos como patológicos. Nosso objetivo foi verificar se o aumento ou a diminuição do óxido nítrico apresenta um efeito benéfico na proteção do tecido pulmonar no enfisema pulmonar induzido por fumaça de cigarro em camundongos. Para tanto, utilizamos o L-NAME (inibidor do NO), a L-arginina (substrato para a formação do NO) e os comparamos com a N-acetilcisteína (utilizada no tratamento da DPOC). Foram utilizados 65 camundongos C57BL/6 machos. Cinquenta animais foram divididos em grupos controle, fumaça de cigarro (FC), fumaça de cigarro + L-NAME (FC+LN), fumaça de cigarro + L-arginina (FC+LA), fumaça de cigarro + N-acetilcisteína (FC+NAC) (n=10, por grupo). Durante sessenta dias 40 animais foram expostos a 12 cigarros comerciais por dia, 3 vezes ao dia. Os grupos controle e FC foram submetidos à gavagens orogástricas com o veículo. Os grupos FC+LN, FC+LA, FC+NAC receberam gavagens diárias de L-NAME (60 mg/kg), L-arginina (120 mg/kg) ou NAC (200 mg/kg) respectivamente. Quinze animais (n = 5, por grupo) foram expostos ao ar ambiente e tratados apenas com L-NAME, L-arginina e NAC. Realizamos a análise do perfil das células do lavado broncoalveolar após o sacrifício. O pulmão direito foi removido para as análises histológicas do alargamento dos espaços aéreos determinado pela medida do diâmetro alveolar médio (Lm) e da densidade de superfície (Sv) dos septos alveolares. Os pulmões esquerdos foram removidos e homogeneizados para a as análises da atividade enzimática (SOD, CAT e MPO) e do sistema glutationa (GSH/GSSG), para a análise dos valores de nitrito e da expressão de 4-HNE, MMP-12, NE, TIMP-1, TIMP-2. Nossos resultados apontam que o L-NAME tem uma ação voltada para a matriz extracelular (via protease-antiprotease), enquanto que a L-arginina possui uma ação voltada para os oxidantes, assim como a NAC. Porém a NAC atua aumentando os níveis de glutationa, o que interfere diretamente nos oxidantes (via oxidante-antioxidante), enquanto a L-arginina interfere aumentando o burden oxidativo concomitante a um aumento da velocidade de ação dos oxidantes o que aumenta as células inflamatórias, mas diminui seu tempo de ação permitindo uma maior proteção. Concluímos que tanto o favorecimento para a produção e liberação do NOatravés da administração da L-arginina quanto a inibição do NOpela utilização do L-NAME foi eficiente na proteção do pulmão, apesar de não terem alcançado um resultado tão bom quanto a NAC.

Condições mecânicas do sistema respiratório em adultos com fibrose cística: estudo pela espirometria, pletismografia e técnica de oscilações forçadas

A fibrose cística (FC) é a doença autossômica recessiva mais comum na população branca que leva à redução na expectativa de vida. A doença pulmonar é a maior causa de morbidade e mortalidade. A relevância do presente estudo se dá diante de alguns fatores: aumento drástico da sobrevida média nos últimos 60 anos na FC, a fisiopatologia pulmonar não é bem compreendida, ausência de estudos reportados na literatura, até o momento, utilizando a técnica de oscilações forçadas (TOF) exclusivamente em adultos com FC. Assim sendo os objetivos deste estudo são: analisar as alterações da mecânica respiratória em adultos com FC através da espirometria, pletismografia e TOF; correlacionar os resultados da TOF aos espirométricos e pletismográficos e avaliar a sensibilidade e especificidade da TOF nestes indivíduos. É um estudo de corte transversal descritivo, no qual foram analisados dois grupos de indivíduos: controle (n=23) e FC (n=27). Os resultados foram expressos através média desvio-padrão. As técnicas funcionais respiratórias foram realizadas na seguinte sequência: TOF, espirometria, pletismografia. Na pletismografia foram avaliados os parâmetros: CPT (capacidade pulmonar total), CRF (capacidade residual funcional) e VR (volume residual), CRF/CPT e VR/CPT, resistência (Rva) e condutância específica das vias aéreas (SGva). Na espirometria: volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF1), capacidade vital forçada (CVF), fluxo expiratório entre 25% e 75% (FEF25%-75%) da CVF (FEF25%-75%) e razões VEF1/CVF (%) e FEF/CVF (%). Na TOF: propriedades resistivas do sistema respiratório- R0 (resistência no intercepto), Rm (resistência média) e S (inclinação da reta de resistência) e propriedades reativas: Cdin,sr (complacência dinâmica do sistema respiratório), Xm (reatância média), frequência de ressonância (fr); e o módulo da impedância em 4 Hz (׀Zrs4Hz׀). Na espirometria o distúrbio ventilatório obstrutivo (DVO) com CVF reduzida foi predominante, com marcante redução do FEF25%-75% no grupo FC (p<0,0001) em relação ao controle. Na pletismografia: destacou-se a elevação de VR, na presença de CPT normal e elevação da Rva e redução da SGva no grupo FC. Alterações da TOF ocorridas no grupo FC em relação ao controle: aumento de R0 e Rm (p<0,0001) e fr (p<0,0002), relacionados à obstrução das vias aéreas; redução de S (p<0,0006), Xm (p<0,0001) associadas à não-homogeneidade do sistema respiratório e Cdin,sr (p<0,0001), relacionada à redução da complacência pulmonar; aumento do módulo da impedância em 4 Hz (׀Zrs4Hz׀) (representando a carga mecânica total do sistema respiratório) resultante da interação das demais alterações da TOF citadas. Os parâmetros da TOF apresentaram correlações muito boas com a espirometria e moderadas com a pletismografia. Rm foi o único parâmetro que não se relacionou com nenhuma destas técnicas. A sensibilidade e especificidade da TOF em adultos com FC apresentaram valores elevados, sobretudo nos parâmetros reativos, em especial, Xm (85,2% e 73,9% respectivamente e área sob a curva de 0,86).