Lattice-gas model of particles with orientational and positional degrees of freedom: Mean-field treatment

We consider a lattice-gas model of particles with internal orientational degrees of freedom. In addition to antiferromagnetic nearest-neighbor (NN) and next-nearest-neighbor (NNN) positional interactions we also consider NN and NNN interactions arising from the internal state of the particles. The system then shows positional and orientational ordering modes with associated phase transitions at Tp and To temperatures at which long-range positional and orientational ordering are, respectively, lost. We use mean-field techniques to obtain a general approach to the study of these systems. By considering particular forms of the orientational interaction function we study coupling effects between both phase transitions arising from the interplay between orientational and positional degrees of freedom. In mean-field approximation coupling effects appear only for the phase transition taking place at lower temperatures. The strength of the coupling depends on the value of the long-range order parameter that remains finite at that temperature.

Fuzzy logic applied to the modeling of water dynamics in an Oxisol in northeastern Brazil

Modeling of water movement in non-saturated soil usually requires a large number of parameters and variables, such as initial soil water content, saturated water content and saturated hydraulic conductivity, which can be assessed relatively easily. Dimensional flow of water in the soil is usually modeled by a nonlinear partial differential equation, known as the Richards equation. Since this equation cannot be solved analytically in certain cases, one way to approach its solution is by numerical algorithms. The success of numerical models in describing the dynamics of water in the soil is closely related to the accuracy with which the water-physical parameters are determined. That has been a big challenge in the use of numerical models because these parameters are generally difficult to determine since they present great spatial variability in the soil. Therefore, it is necessary to develop and use methods that properly incorporate the uncertainties inherent to water displacement in soils. In this paper, a model based on fuzzy logic is used as an alternative to describe water flow in the vadose zone. This fuzzy model was developed to simulate the displacement of water in a non-vegetated crop soil during the period called the emergency phase. The principle of this model consists of a Mamdani fuzzy rule-based system in which the rules are based on the moisture content of adjacent soil layers. The performances of the results modeled by the fuzzy system were evaluated by the evolution of moisture profiles over time as compared to those obtained in the field. The results obtained through use of the fuzzy model provided satisfactory reproduction of soil moisture profiles.

Premartensitic and martensitic phase transition in ferromagnetic Ni2MnGa

We present an experimental study of the premartensitic and martensitic phase transitions in a Ni2MnGa single crystal by using ultrasonic techniques. The effect of applied magnetic field and uniaxial compressive stress has been investigated. It has been found that they substantially modify the elastic and magnetic behavior of the alloy. These experimental findings are a consequence of magnetoelastic effects. The measured magnetic and vibrational behavior agrees with the predictions of a recently proposed Landau-type model [A. Planes et al., Phys. Rev. Lett. 79, 3926 (1997)] that incorporates a magnetoelastic coupling as a key ingredient.

Reply to "Comment on 'Erasing glassy state in magnetic fine particles'"

The Comment affirms that no phase transition occurs in spin-glass systems with an applied magnetic field. However, only according to the droplet model is this result expected. Other models do not predict this result and, consequently, it is under current discussion. In addition, we show how the experimental results obtained in our system correspond to a cluster glass rather than to a true spin glass.

Classical anisotropies in models of open inflation

In the simplest model of open inflation there are two inflaton fields decoupled from each other. One of them, the tunneling field, produces a first stage of inflation which prepares the ground for the nucleation of a highly symmetric bubble. The other, a free field, drives a second period of slow-roll inflation inside the bubble. However, the second field also evolves during the first stage of inflation, which to some extent breaks the needed symmetry. We show that this generates large supercurvature anisotropies which, together with the results of Tanaka and Sasaki, rule out this class of simple models (unless, of course, Omega0 is sufficiently close to 1). The problem does not arise in modified models where the second field does not evolve in the first stage of inflation.

General method to determine replica symmetry breaking transitions

We introduce a new parameter to investigate replica symmetry breaking transitions using finite-size scaling methods. Based on exact equalities initially derived by F. Guerra this parameter is a direct check of the self-averaging character of the spin-glass order parameter. This new parameter can be used to study models with time reversal symmetry but its greatest interest lies in models where this symmetry is absent. We apply the method to long-range and short-range Ising spin-glasses with and without a magnetic field as well as short-range multispin interaction spin-glasses.

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

Holographic phase transitions with fundamental matter

The holographic dual of a finite-temperature gauge theory with a small number of flavors typically contains D-brane probes in a black hole background. At low temperature, the branes sit outside the black hole and the meson spectrum is discrete and possesses a mass gap. As the temperature increases, the branes approach a critical solution. Eventually, they fall into the horizon and a phase transition occurs. In the new phase, the meson spectrum is continuous and gapless. At large Nc and large't Hooft coupling, we show that this phase transition is always first order. In confining theories with heavy quarks, it occurs above the deconfinement transition for the glue.

Intramolecular coupling as a mechanism for a liquid-liquid phase transition

We study a model for water with a tunable intramolecular interaction Js, using mean-field theory and off-lattice Monte Carlo simulations. For all Js>~0, the model displays a temperature of maximum density. For a finite intramolecular interaction Js>0, our calculations support the presence of a liquid-liquid phase transition with a possible liquid-liquid critical point for water, likely preempted by inevitable freezing. For J=0, the liquid-liquid critical point disappears at T=0.

Continuous phase transition in a spin-glass model without time-reversal symmetry

We investigate the phase transition in a strongly disordered short-range three-spin interaction model characterized by the absence of time-reversal symmetry in the Hamiltonian. In the mean-field limit the model is well described by the Adam-Gibbs-DiMarzio scenario for the glass transition; however, in the short-range case this picture turns out to be modified. The model presents a finite temperature continuous phase transition characterized by a divergent spin-glass susceptibility and a negative specific-heat exponent. We expect the nature of the transition in this three-spin model to be the same as the transition in the Edwards-Anderson model in a magnetic field, with the advantage that the strong crossover effects present in the latter case are absent.

A high-sensitivity differential scanning calorimeter with magnetic field for magnetostructural transitions

We have developed a differential scanning calorimeter capable of working under applied magnetic fields of up to 5 T. The calorimeter is highly sensitive and operates over the temperature range 10¿300 K. It is shown that, after a proper calibration, the system enables determination of the latent heat and entropy changes in first-order solid¿solid phase transitions. The system is particularly useful for investigating materials that exhibit the giant magnetocaloric effect arising from a magnetostructural phase transition. Data for Gd5(Si0.1Ge0.9)4 are presented.

Magnetic field induced entropy change and magnetoelasticity in Ni-Mn-Ga alloys

The magnetocaloric effect that originates from the martensitic transition in the ferromagnetic Ni-Mn-Gashape-memory alloy is studied. We show that this effect is controlled by the magnetostructural coupling at boththe martensitic variant and magnetic domain length scales. A large entropy change induced by moderatemagnetic fields is obtained for alloys in which the magnetic moment of the two structural phases is not verydifferent. We also show that this entropy change is not associated with the entropy difference between themartensitic and the parent phase arising from the change in the crystallographic structure which has beenfound to be independent of the magnetic field within this range of fields.

Durable, Cost-Effective Pavement Markings Phase I: Synthesis of Current Reseaech, June 2001

Pavement marking technology is a continually evolving subject. There are numerous types of materials used in the field today, including (but not limited to) paint, epoxy, tape, and thermoplastic. Each material has its own set of unique characteristics related to durability, retroreflectivity, installation cost, and life-cycle cost. The Iowa Highway Research Board was interested in investigating the possibility of developing an ongoing program to evaluate the various products used in pavement marking. This potential program would maintain a database of performance and cost information to assist state and local agencies in determining which materials and placement methods are most appropriate for their use. The Center for Transportation Research and Education at Iowa State University has completed Phase I of this research: to identify the current practice and experiences from around the United States to recommend a further course of action for the State of Iowa. There has been a significant amount of research completed in the last several years. Research from Michigan, Pennsylvania, South Dakota, Ohio, and Alaska all had some common findings: white markings are more retroreflective than yellow markings; paint is by-and-large the least expensive material; paint tends to degrade faster than other materials; thermoplastic and tapes had higher retroreflective characteristics. Perhaps the most significant program going on in the area of pavement markings is the National Transportation Product Evaluation Program (NTPEP). This is an ongoing research program jointly conducted by the American Association of State Highway and Transportation Officials and its member states. Field and lab tests on numerous types of pavement marking materials are being conducted at sites representing four climatological areas. These results are published periodically for use by any jurisdiction interested in pavement marking materials performance. At this time, it is recommended that the State of Iowa not embark on a test deck evaluation program. Instead, close attention should be paid to the ongoing evaluations of the NTPEP program. Materials that fare well on the NTPEP test de cks should be considered for further field studies in Iowa.