Regular wave propagation out of noise in chemical active media

A pacemaker, regularly emitting chemical waves, is created out of noise when an excitable photosensitive Belousov-Zhabotinsky medium, strictly unable to autonomously initiate autowaves, is forced with a spatiotemporal patterned random illumination. These experimental observations are also reproduced numerically by using a set of reaction-diffusion equations for an activator-inhibitor model, and further analytically interpreted in terms of genuine coupling effects arising from parametric fluctuations. Within the same framework we also address situations of noise-sustained propagation in subexcitable media.

Distributions of avalanches in martensitic transformations

An experimental study of the acoustic emission generated during a martensitic transformation is presented. A statistical analysis of the amplitude and lifetime of a large number of signals has revealed power-law behavior for both magnitudes. The exponents of these distributions have been evaluated and, through independent measurements of the statistical lifetime to amplitude dependence, we have checked the scaling relation between the exponents. Our results are discussed in terms of current ideas on avalanche dynamics.

Dynamical scaling of imbibition in columnar geometries

compatible with the usual nonlocal model governed by surface tension that results from a macroscopic description. To explore this discrepancy, we exhaustively analyze numerical integrations of a phase-field model with dichotomic columnar disorder. We find that two distinct behaviors are possible depending on the capillary contrast between the two values of disorder. In a high-contrast case, where interface evolution is mainly dominated by the disorder, an inherent anomalous scaling is always observed. Moreover, in agreement with experimental work, the interface motion has to be described through a local model. On the other hand, in a lower-contrast case, the interface is dominated by interfacial tension and can be well modeled by a nonlocal model. We have studied both spontaneous and forced-flow imbibition situations, giving a complete set of scaling exponents in each case, as well as a comparison to the experimental results.

Does introduction of thresholds in decision aids benefit the patient?: Comparison between findings-based and threshold-based diagnostic decision aids.

PURPOSE: To assess how different diagnostic decision aids perform in terms of sensitivity, specificity, and harm. METHODS: Four diagnostic decision aids were compared, as applied to a simulated patient population: a findings-based algorithm following a linear or branched pathway, a serial threshold-based strategy, and a parallel threshold-based strategy. Headache in immune-compromised HIV patients in a developing country was used as an example. Diagnoses included cryptococcal meningitis, cerebral toxoplasmosis, tuberculous meningitis, bacterial meningitis, and malaria. Data were derived from literature and expert opinion. Diagnostic strategies' validity was assessed in terms of sensitivity, specificity, and harm related to mortality and morbidity. Sensitivity analyses and Monte Carlo simulation were performed. RESULTS: The parallel threshold-based approach led to a sensitivity of 92% and a specificity of 65%. Sensitivities of the serial threshold-based approach and the branched and linear algorithms were 47%, 47%, and 74%, respectively, and the specificities were 85%, 95%, and 96%. The parallel threshold-based approach resulted in the least harm, with the serial threshold-based approach, the branched algorithm, and the linear algorithm being associated with 1.56-, 1.44-, and 1.17-times higher harm, respectively. Findings were corroborated by sensitivity and Monte Carlo analyses. CONCLUSION: A threshold-based diagnostic approach is designed to find the optimal trade-off that minimizes expected harm, enhancing sensitivity and lowering specificity when appropriate, as in the given example of a symptom pointing to several life-threatening diseases. Findings-based algorithms, in contrast, solely consider clinical observations. A parallel workup, as opposed to a serial workup, additionally allows for all potential diseases to be reviewed, further reducing false negatives. The parallel threshold-based approach might, however, not be as good in other disease settings.

Spatial correlations and cross sections of clusters in the A + B -> 0 reaction

We consider the distribution of cross sections of clusters and the density-density correlation functions for the A+B¿0 reaction. We solve the reaction-diffusion equations numerically for random initial distributions of reactants. When both reactant species have the same diffusion coefficients the distribution of cross sections and the correlation functions scale with the diffusion length and obey superuniversal laws (independent of dimension). For different diffusion coefficients the correlation functions still scale, but the scaling functions depend on the dimension and on the diffusion coefficients. Furthermore, we display explicitly the peculiarities of the cluster-size distribution in one dimension.

Sequential partitioning: an alternative to understanding size distributions of avalanches in first-order phase transitions

We study the problem of the partition of a system of initial size V into a sequence of fragments s1,s2,s3 . . . . By assuming a scaling hypothesis for the probability p(s;V) of obtaining a fragment of a given size, we deduce that the final distribution of fragment sizes exhibits power-law behavior. This minimal model is useful to understanding the distribution of avalanche sizes in first-order phase transitions at low temperatures.

Origin of the neutron skin thickness of 208Pb in nuclear mean-field models

We study whether the neutron skin thickness Δrnp of 208Pb originates from the bulk or from the surface of the nucleon density distributions, according to the mean-field models of nuclear structure, and find that it depends on the stiffness of the nuclear symmetry energy. The bulk contribution to Δrnp arises from an extended sharp radius of neutrons, whereas the surface contribution arises from different widths of the neutron and proton surfaces. Nuclear models where the symmetry energy is stiff, as typical of relativistic models, predict a bulk contribution in Δrnp of 208Pb about twice as large as the surface contribution. In contrast, models with a soft symmetry energy like common nonrelativistic models predict that Δrnp of 208Pb is divided similarly into bulk and surface parts. Indeed, if the symmetry energy is supersoft, the surface contribution becomes dominant. We note that the linear correlation of Δrnp of 208Pb with the density derivative of the nuclear symmetry energy arises from the bulk part of Δrnp. We also note that most models predict a mixed-type (between halo and skin) neutron distribution for 208Pb. Although the halo-type limit is actually found in the models with a supersoft symmetry energy, the skin-type limit is not supported by any mean-field model. Finally, we compute parity-violating electron scattering in the conditions of the 208Pb parity radius experiment (PREX) and obtain a pocket formula for the parity-violating asymmetry in terms of the parameters that characterize the shape of the 208Pb nucleon densities.

Discriminating Irritable Bowel Syndrome fromInflammatory Bowel Disease: what is the Role of Biomarkers in Daily Practice?

Background a nd A ims: D iscriminating irritable bowelsyndrome (IBS) from inflammatory bowel disease (IBD) can bea clinical c hallenge as s ymptoms c an overlap. We a nd othershave recently shown that fecal c alprotectin ( FC) is moreaccurate for d iscriminating IBS f rom IBD compared to C -reactive p rotein ( CRP) and b lood leukocytes. We a imed toassess which b iomarkers are used by g astroenterologists intheir daily practice for discriminating IBS from IBD.Methods: A q uestionnaire was sent to all board certifiedgastroenterologists in Switzerland in July 2010.Results: Response rate was 57% (153/270). Mean physician'sage was 50±9years, mean duration o f gastroenterologicpractice 1 4±8years, 52% of them were working in p rivatepractice a nd 48% in h ospitals. T he following biomarkers weredetermined for discriminating IBS from IBD: CRP 100%, FC79%, hematogram (red blood cells and leukocytes) 70%, ironstatus ( ferritin, t ransferrin s aturation) 59%, e rythrocytesedimentation rate 2.7%, protein electrophoresis 0.7%, andalpha-1 antitrypsin clearance 0.7%. There was a trend for usingFC more often in p rivate practice t han in h ospital ( P = 0.08).Eighty-nine percent of gastroenterologists considered FC to besuperior to CRP for discriminating IBS from IBD, 8 7% thoughtthat patient's compliance for fecal sampling is high, and 51%judged the fee of USD 60 for a FC test as appropriate.Conclusions: F C is widely used in c linical practice t odiscriminate IBS from IBD. In accordance with the scientificevidence, the majority of gastroenterologists consider FC to bemore accurate than CRP for discriminating IBS from IBD.

Reduction of the effect of aberrations in a joint transform correlator

We report the study of the influence of optical aberrations in a joint-transform correlator: The wave aberration of the optical system is computed from data obtained by ray tracing. Three situations are explored: We consider the aberration only in the first diffraction stage (generation of power spectrum), then only in the second (transformation of the power spectrum into correlation), and finally in both stages simultaneously. The results show that the quality of the correlation is determined mostly by the aberrations of the first diffraction stage and that we can optimize the setup by moving the cameras along the optical axis to a suitable position. The good agreement between the predicted data and the experimental results shows that the method explains well the behavior of optical diffraction systems when aberrations are taken into account.

Correction of aberration in holographic optical tweezers using a Shack-Hartmann sensor

Optical aberration due to the nonflatness of spatial light modulators used in holographic optical tweezers significantly deteriorates the quality of the trap and may easily prevent stable trapping of particles. We use a Shack-Hartmann sensor to measure the distorted wavefront at the modulator plane; the conjugate of this wavefront is then added to the holograms written into the display to counteract its own curvature and thus compensate the optical aberration of the system. For a Holoeye LC-R 2500 reflective device, flatness is improved from 0.8¿ to ¿/16 (¿=532 nm), leading to a diffraction-limited spot at the focal plane of the microscope objective, which makes stable trapping possible. This process could be fully automated in a closed-loop configuration and would eventually allow other sources of aberration in the optical setup to be corrected for.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Towards and ab initio description of magnetism in ionic solids

The physical contributions to the KNiF3 magnetic exchange coupling integral have been obtained from specially designed ab initio cluster model calculations. Three important mechanisms have been identified. These are the delocalization of the magnetic orbitals into the anion p band, the variational contribution of the second-order interactions, and the many-body terms hidden in the two-body operator and the Heisenberg Hamiltonian.

Modelling diffusion of innovations in a social network

A simple model of diffusion of innovations in a social network with upgrading costs is introduced. Agents are characterized by a single real variable, their technological level. According to local information, agents decide whether to upgrade their level or not, balancing their possible benefit with the upgrading cost. A critical point where technological avalanches display a power-law behavior is also found. This critical point is characterized by a macroscopic observable that turns out to optimize technological growth in the stationary state. Analytical results supporting our findings are found for the globally coupled case.