Response curves of deterministic and probabilistic cellular automata in one and two dimensions

One of the most important problems in the theory of cellular automata (CA) is determining the proportion of cells in a specific state after a given number of time iterations. We approach this problem using patterns in preimage sets - that is, the set of blocks which iterate to the desired output. This allows us to construct a response curve - a relationship between the proportion of cells in state 1 after niterations as a function of the initial proportion. We derive response curve formulae for many two-dimensional deterministic CA rules with L-neighbourhood. For all remaining rules, we find experimental response curves. We also use preimage sets to classify surjective rules. In the last part of the thesis, we consider a special class of one-dimensional probabilistic CA rules. We find response surface formula for these rules and experimental response surfaces for all remaining rules.

Superintégrabilité avec séparation de variables en coordonnées polaires et intégrales du mouvement d’ordre supérieur à deux

Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux résultats de systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires. Dans un premier temps, nous présentons une classification complète de tous les systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires qui admettent une intégrale du mouvement d'ordre trois. Des potentiels s'exprimant en terme de la sixième transcendante de Painlevé et de la fonction elliptique de Weierstrass sont présentés. Ensuite, nous introduisons une famille infinie de systèmes classiques et quantiques intégrables et exactement résolubles en coordonnées polaires. Cette famille s'exprime en terme d'un paramètre k. Le spectre d'énergie et les fonctions d'onde des systèmes quantiques sont présentés. Une conjecture postulant la superintégrabilité de ces systèmes est formulée et est vérifiée pour k=1,2,3,4. L'ordre des intégrales du mouvement proposées est 2k où k ∈ ℕ. La structure algébrique de la famille de systèmes quantiques est formulée en terme d'une algèbre cachée où le nombre de générateurs dépend du paramètre k. Une généralisation quasi-exactement résoluble et intégrable de la famille de potentiels est proposée. Finalement, les trajectoires classiques de la famille de systèmes sont calculées pour tous les cas rationnels k ∈ ℚ. Celles-ci s'expriment en terme des polynômes de Chebyshev. Les courbes associées aux trajectoires sont présentées pour les premiers cas k=1, 2, 3, 4, 1/2, 1/3 et 3/2 et les trajectoires bornées sont fermées et périodiques dans l'espace des phases. Ainsi, les résultats obtenus viennent renforcer la possible véracité de la conjecture.

Les systèmes super intégrables d’ordre trois séparables en coordonnées paraboliques

Ce mémoire est une poursuite de l’étude de la superintégrabilité classique et quantique dans un espace euclidien de dimension deux avec une intégrale du mouvement d’ordre trois. Il est constitué d’un article. Puisque les classifications de tous les Hamiltoniens séparables en coordonnées cartésiennes et polaires sont déjà complétées, nous apportons à ce tableau l’étude de ces systèmes séparables en coordonnées paraboliques. Premièrement, nous dérivons les équations déterminantes d’un système en coordonnées paraboliques et ensuite nous résolvons les équations obtenues afin de trouver les intégrales d’ordre trois pour un potentiel qui permet la séparation en coordonnées paraboliques. Finalement, nous démontrons que toutes les intégrales d’ordre trois pour les potentiels séparables en coordonnées paraboliques dans l’espace euclidien de dimension deux sont réductibles. Dans la conclusion de l’article nous analysons les différences entre les potentiels séparables en coordonnées cartésiennes et polaires d’un côté et en coordonnées paraboliques d’une autre côté. Mots clés: intégrabilité, superintégrabilité, mécanique classique, mécanique quantique, Hamiltonien, séparation de variable, commutation.

Assemblage moléculaire régi par la formation de bifluorènes : vers la formation de réseaux organiques covalents retenus par des liaisons carbone-carbone

Les réseaux organiques covalents (COFs) sont des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels assemblés seulement par des atomes légers, c’est-à-dire de la première et deuxième rangée du tableau périodique. Ceux-ci ont montré des propriétés de porosité pouvant être exploitées dans le stockage, dans la catalyse et dans la séparation moléculaire. La plupart de ces matériaux ont été obtenus par une réaction finale de condensation, ce qui nuit à leurs cristallisations, donc à l’homogénéité et à la caractérisation détaillée de ces matériaux. Les p-xylylènes de Thiele et Tschitschibabin sont des molécules qui ont suscité l’intérêt pour leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Subséquemment, Wittig a démontré que le remplacement des fragments diphénylméthylène par des fragments fluorénylidène sur le p-xylylène de Thiele donne des molécules pouvant s’oligomériser pour former un tétramère. Dans notre étude, nous avons examiné l’assemblage de dérivés fluorénylidène dans le but d’obtenir un COF. Tout d’abord, un dérivé linéaire similaire à ce que Wittig a obtenu a été synthétisé afin de vérifier l’assemblage à partir d’un cœur spirobifluorényle. Ces molécules se sont assemblées en tétramère, comme prévu, et en hexamère. Ces deux résultats ont pu être rationalisés par une étude à l’état solide par diffraction des rayons-X. L’empilement tridimensionnel a également été étudié pour ces deux molécules. Subséquemment, des dérivés tétraédriques ont été synthétisés afin d’étudier leurs assemblages. Un premier dérivé est resté sous sa forme quinoïdale et ne s’est pas assemblé, alors qu’un second dérivé a mené à un dimère partiellement assemblé. La structure de ce dernier suggère la formation d’un polymère linéaire pour ce composé dans le cas où il aurait été possible de l’assembler complètement.

L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Finite-size scaling analysis of the avalanches in the three-dimensional Gaussian random-field Ising model with metastable dynamics

A numerical study is presented of the third-dimensional Gaussian random-field Ising model at T=0 driven by an external field. Standard synchronous relaxation dynamics is employed to obtain the magnetization versus field hysteresis loops. The focus is on the analysis of the number and size distribution of the magnetization avalanches. They are classified as being nonspanning, one-dimensional-spanning, two-dimensional-spanning, or three-dimensional-spanning depending on whether or not they span the whole lattice in different space directions. Moreover, finite-size scaling analysis enables identification of two different types of nonspanning avalanches (critical and noncritical) and two different types of three-dimensional-spanning avalanches (critical and subcritical), whose numbers increase with L as a power law with different exponents. We conclude by giving a scenario for avalanche behavior in the thermodynamic limit.

Covalently Interconnected Three- Dimensional Graphene Oxide Solids

The creation of three-dimensionally engineered nanoporous architectures via covalently interconnected nanoscale building blocks remains one of the fundamental challenges in nanotechnology. Here we report the synthesis of ordered, stacked macroscopic three-dimensional (3D) solid scaffolds of graphene oxide (GO) fabricated via chemical cross-linking of two-dimensional GO building blocks. The resulting 3D GO network solids form highly porous interconnected structures, and the controlled reduction of these structures leads to formation of 3D conductive graphene scaffolds. These 3D architectures show promise for potential applications such as gas storage; CO2 gas adsorption measurements carried out under ambient conditions show high sorption capacity, demonstrating the possibility of creating new functional carbon solids starting with two-dimensional carbon layers

Magnetic interactions between transition metal impurities and clusters mediated by low-dimensional metallic hosts: A first principles theoretical investigation

The magnetic properties and interactions between transition metal (TM) impurities and clusters in low-dimensional metallic hosts are studied using a first principles theoretical method. In the first part of this work, the effect of magnetic order in 3d-5d systems is addressed from the perspective of its influence on the enhancement of the magnetic anisotropy energy (MAE). In the second part, the possibility of using external electric fields (EFs) to control the magnetic properties and interactions between nanoparticles deposited at noble metal surfaces is investigated. The influence of 3d composition and magnetic order on the spin polarization of the substrate and its consequences on the MAE are analyzed for the case of 3d impurities in one- and two-dimensional polarizable hosts. It is shown that the MAE and easy- axis of monoatomic free standing 3d-Pt wires is mainly determined by the atomic spin-orbit (SO) coupling contributions. The competition between ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AF) order in FePtn wires is studied in detail for n=1-4 as a function of the relative position between Fe atoms. Our results show an oscillatory behavior of the magnetic polarization of Pt atoms as a function of their distance from the magnetic impurities, which can be correlated to a long-ranged magnetic coupling of the Fe atoms. Exceptionally large variations of the induced spin and orbital moments at the Pt atoms are found as a function of concentration and magnetic order. Along with a violation of the third Hund’s rule at the Fe sites, these variations result in a non trivial behavior of the MAE. In the case of TM impurities and dimers at the Cu(111), the effects of surface charging and applied EFs on the magnetic properties and substrate-mediated magnetic interactions have been investigated. The modifications of the surface electronic structure, impurity local moments and magnetic exchange coupling as a result of the EF-induced metallic screening and charge rearrangements are analysed. In a first study, the properties of surface substitutional Co and Fe impurities are investigated as a function of the external charge per surface atom q. At large inter-impurity distances the effective magnetic exchange coupling ∆E between impurities shows RKKY-like oscillations as a function of the distance which are not significantly affected by the considered values of q. For distances r < 10 Å, important modifications in the magnitude of ∆E, involving changes from FM to AF coupling, are found depending non-monotonously on the value and polarity of q. The interaction energies are analysed from a local perspective. In a second study, the interplay between external EF effects, internal magnetic order and substrate-mediated magnetic coupling has been investigated for Mn dimers on Cu(111). Our calculations show that EF (∼ 1eV/Å) can induce a switching from AF to FM ground-state magnetic order within single Mn dimers. The relative coupling between a pair of dimers also shows RKKY-like oscillations as a function of the inter-dimer distance. Their effective magnetic exchange interaction is found to depend significantly on the magnetic order within the Mn dimers and on their relative orientation on the surface. The dependence of the substrate-mediated interaction on the magnetic state of the dimers is qualitatively explained in terms of the differences in the scattering of surface electrons. At short inter-dimer distances, the ground-state configuration is determined by an interplay between exchange interactions and EF effects. These results demonstrate that external surface charging and applied EFs offer remarkable possibilities of manipulating the sign and strength of the magnetic coupling of surface supported nanoparticles.

Learning Three-Dimensional Shape Models for Sketch Recognition

Artifacts made by humans, such as items of furniture and houses, exhibit an enormous amount of variability in shape. In this paper, we concentrate on models of the shapes of objects that are made up of fixed collections of sub-parts whose dimensions and spatial arrangement exhibit variation. Our goals are: to learn these models from data and to use them for recognition. Our emphasis is on learning and recognition from three-dimensional data, to test the basic shape-modeling methodology. In this paper we also demonstrate how to use models learned in three dimensions for recognition of two-dimensional sketches of objects.

Strain longitudinal global para la detección de estenosis coronaria significativa en pacientes con infarto agudo del miocardio

Introducción: La evaluación de la función miocárdica global y regional juega una papel crítico en el diagnóstico y manejo de los pacientes con enfermedad coronaria con importantes implicaciones pronosticas, las nuevas técnicas ecocardiográficas como la evaluación del STRAIN han sido validadas como una herramienta objetiva, comprehensiva y precisa para evaluar dichos parámetros. Objetivo: Determinar la capacidad del strain global longitudinal para la detección de estenosis coronaria significativa, número de territorios comprometidos y territorio anatómico del vaso culpable; en pacientes sin antecedentes de enfermedad coronaria previa con infarto agudo del miocardio. Diseño: estudio de pruebas diagnósticas retrospectivo en el que se utilizó como gold estándar la angiografía coronaria, se seleccionaron 64 pacientes con ecocardiograma transtorácico previo a la angiografía coronaria. Resultados: Se demostró una exactitud intermedia del strain global longitudinal para detectar estenosis coronaria por análisis de curvas ROC, con un área bajo la curva de 0,78 p= 0,000 (IC 0,6; 1,0), Una sensibilidad de 96.5% (91.7%, 101.3%), especificidad 40.0% (9.6%, 70.4%) y una prevalencia real del enfermedad coronaria de 85.1% (76.5%, 93.6%) Conclusiones: La medición de la función global y regional por medio del strain global longitudinal identifica pacientes con infarto agudo del miocardio que tienen estenosis coronaria significativa, número de territorios afectados, y la distribución anatómica de los posibles vasos culpables, sin embargo hay que tener precaución en su uso que sólo se limite a escenarios en donde pueda ser interpretado adecuadamente. Palabras clave: strain global bidimensional, detección de estenosis coronaria significativa, infarto del miocardio.

The three-dimensional vortical nature of atmospheric and oceanic turbulent flows

Using a novel numerical method at unprecedented resolution, we demonstrate that structures of small to intermediate scale in rotating, stratified flows are intrinsically three-dimensional. Such flows are characterized by vortices (spinning volumes of fluid), regions of large vorticity gradients, and filamentary structures at all scales. It is found that such structures have predominantly three-dimensional dynamics below a horizontal scale LLR, where LR is the so-called Rossby radius of deformation, equal to the characteristic vertical scale of the fluid H divided by the ratio of the rotational and buoyancy frequencies f/N. The breakdown of two-dimensional dynamics at these scales is attributed to the so-called "tall-column instability" [D. G. Dritschel and M. de la Torre Juárez, J. Fluid. Mech. 328, 129 (1996)], which is active on columnar vortices that are tall after scaling by f/N, or, equivalently, that are narrow compared with LR. Moreover, this instability eventually leads to a simple relationship between typical vertical and horizontal scales: for each vertical wave number (apart from the vertically averaged, barotropic component of the flow) the average horizontal wave number is equal to f/N times the vertical wave number. The practical implication is that three-dimensional modeling is essential to capture the behavior of rotating, stratified fluids. Two-dimensional models are not valid for scales below LR. ©1999 American Institute of Physics.

Scale-invariant moving finite elements for nonlinear partial differential equations in two dimensions

A scale-invariant moving finite element method is proposed for the adaptive solution of nonlinear partial differential equations. The mesh movement is based on a finite element discretisation of a scale-invariant conservation principle incorporating a monitor function, while the time discretisation of the resulting system of ordinary differential equations is carried out using a scale-invariant time-stepping which yields uniform local accuracy in time. The accuracy and reliability of the algorithm are successfully tested against exact self-similar solutions where available, and otherwise against a state-of-the-art h-refinement scheme for solutions of a two-dimensional porous medium equation problem with a moving boundary. The monitor functions used are the dependent variable and a monitor related to the surface area of the solution manifold. (c) 2005 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Parcel theory in three dimensions and the calculation of SCAPE

Slantwise convective available potential energy (SCAPE) is a measure of the degree to which the atmosphere is unstable to conditional symmetric instability (CSI). It has, until now, been defined by parcel theory in which the atmosphere is assumed to be nonevolving and balanced, that is, two-dimensional. When applying this two-dimensional theory to three-dimensional evolving flows, these assumptions can be interpreted as an implicit assumption that a timescale separation exists between a relatively rapid timescale for slantwise ascent and a slower timescale for the development of the system. An approximate extension of parcel theory to three dimensions is derived and it is shown that calculations of SCAPE based on the assumption of relatively rapid slantwise ascent can be qualitatively in error. For a case study example of a developing extratropical cyclone, SCAPE calculated along trajectories determined without assuming the existence of the timescale separation show large SCAPE values for parcels ascending from the warm sector and along the warm front. These parcels ascend into the cloud head within which there is some evidence consistent with the release of CSI from observational and model cross sections. This region of high SCAPE was not found for calculations along the relatively rapidly ascending trajectories determined by assuming the existence of the timescale separation.

Anion-directed synthesis of metal-organic frameworks based on 2-picolinate Cu(II) complexes: a ferromagnetic alternating chain and two unprecedented ferromagnetic fish backbone chains

Three new polynuclear copper(II) complexes of 2-picolinic acid (Hpic), {[Cu-2(pic)(3)(H2O)]ClO4}(n) (1), {[Cu-2(pic)(3)(H2O)]BF4}(n) (2), and [Cu-2(pic)3(H2O)(2)(NO3)](n) (3), have been synthesized by reaction of the "metalloligand" [Cu-(pic)(2)] with the corresponding copper(II) salts. The compounds are characterized by single-crystal X-ray diffraction analyses and variable-temperature magnetic measurements. Compounds 1 and 2 are isomorphous and crystallize in the triclinic system with space group P (1) over bar, while 3 crystallizes in the monoclinic system with space group P2(1)/n. The structural analyses reveal that complexes 1 and 2 are constructed by "fish backbone" chains through syn-anti (equatorial-equatorial) carboxylate bridges, which are linked to one another by syn-anti (equatorial-axial) carboxylate bridges, giving rise to a rectangular grid-like two-dimensional net. Complex 3 is formed by alternating chains of syn-anti carboxylate-bridged copper(II) atoms, which are linked together by strong H bonds involving coordinated nitrate ions and water molecules and uncoordinated oxygen atoms from carboxylate groups. The different coordination ability of the anions along with their involvement in the H-bonding network seems to be responsible for the difference in the final polymeric structures. Variable-temperature (2-300 K) magnetic susceptibility measurement shows the presence of weak ferromagnetic coupling for all three complexes that have been fitted with a fish backbone model developed for 1 and 2 (J = 1.74 and 0.99 cm(-1); J' = 0.19 and 0.25 cm(-1), respectively) and an alternating chain model for 3 (J = 1.19 cm(-1) and J' = 1.19 cm(-1)).

The power of NMR: in two and three dimensions

Two dimensional NMR experiments use a sequence of two or more pulses with a variable time delay to generate spectra. COSY spectra clarify where the protons are in a molecule. Two and three dimensional NMR are used to solve protein structures.