Surface-enhanced Raman scattering substrate fabricated by femtosecond laser direct writing

We report the fabrication of a novel surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate with a controllable enhancement factor (EF) using femtosecond laser direct writing on Ag+-doped phosphate glass followed by chemical plating at similar to 40 degrees C. Silver seeds were first photoreduced using a femtosecond laser in a laser-irradiated area and then transformed into silver nanoparticles of suitable size for SERS application in the subsequent chemical plating. Rhodamine 6G was used as a probing molecule to investigate the enhancement effect of a Raman signal on the substrate. Nearly homogenous enhancement of the Raman signal over the Substrate was achieved, and the EF of the substrate was controlled to some extent by adjusting fabrication parameters. Moreover, the ability of forming a SERS platform in an embedded microfluidic chamber would be of great use for establishing a compact lab-on-a-chip device based on Raman analysis.

Direct acceleration of solid-density plasma bunch by ultraintense laser

The interaction of a petawatt laser with a small solid-density plasma bunch is studied by particle-in-cell simulation. It is shown that when irradiated by a laser of intensity >10(21) W/cm(2), a dense plasma bunch of micrometer size can be efficiently accelerated. The kinetic energy of the ions in the high-density region of the plasma bunch can exceed ten MeV at a density in the 10(23)-cm(-3) level. Having a flux density orders of magnitude higher than that of the traditional charged-particle pulses, the laser-accelerated plasma bunch can have a wide range of applications. In particular, such a dense energetic plasma bunch impinging on the compressed fuel in inertial fusion can significantly enhance the nuclear-reaction cross section and is thus a promising alternative for fast ignition.

Direct simulation of quantum dynamics in complex systems

Accurate simulation of quantum dynamics in complex systems poses a fundamental theoretical challenge with immediate application to problems in biological catalysis, charge transfer, and solar energy conversion. The varied length- and timescales that characterize these kinds of processes necessitate development of novel simulation methodology that can both accurately evolve the coupled quantum and classical degrees of freedom and also be easily applicable to large, complex systems. In the following dissertation, the problems of quantum dynamics in complex systems are explored through direct simulation using path-integral methods as well as application of state-of-the-art analytical rate theories.

Instability of solution of phase retrieval in direct diffraction phase-contrast imaging with partially coherent X-ray source

The theoretical model of direct diffraction phase-contrast imaging with partially coherent x-ray source is expressed by an operator of multiple integral. It is presented that the integral operator is linear. The problem of its phase retrieval is described by solving an operator equation of multiple integral. It is demonstrated that the solution of the phase retrieval is unstable. The numerical simulation is performed and the result validates that the solution of the phase retrieval is unstable.

Direct simulation of proton-coupled electron transfer reaction dynamics and mechanisms

Proton-coupled electron transfer (PCET) reactions are ubiquitous throughout chemistry and biology. However, challenges arise in both the the experimental and theoretical investigation of PCET reactions; the rare-event nature of the reactions and the coupling between quantum mechanical electron- and proton-transfer with the slower classical dynamics of the surrounding environment necessitates the development of robust simulation methodology. In the following dissertation, novel path-integral based methods are developed and employed for the direct simulation of the reaction dynamics and mechanisms of condensed-phase PCET.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

MODIFIED DIRECT TWOS-COMPLEMENT PARALLEL ARRAY MULTIPLICATION ALGORITHM FOR COMPLEX MATRIX OPERATION

A direct twos-complement parallel array multiplication algorithm is introduced and modified for digital optical numerical computation. The modified version overcomes the problems encountered in the conventional optical twos-complement algorithm. In the array, all the summands are generated in parallel, and the relevant summands having the same weights are added simultaneously without carries, resulting in the product expressed in a mixed twos-complement system. In a two-stage array, complex multiplication is possible with using four real subarrays. Furthermore, with a three-stage array architecture, complex matrix operation is straightforwardly accomplished. In the experiment, parallel two-stage array complex multiplication with liquid-crystal panels is demonstrated.