Numerical studies of colloidal systems

The interplay of hydrodynamic and electrostatic forces is of great importance for the understanding of colloidal dispersions. Theoretical descriptions are often based on the so called standard electrokinetic model. This Mean Field approach combines the Stokes equation for the hydrodynamic flow field, the Poisson equation for electrostatics and a continuity equation describing the evolution of the ion concentration fields. In the first part of this thesis a new lattice method is presented in order to efficiently solve the set of non-linear equations for a charge-stabilized colloidal dispersion in the presence of an external electric field. Within this framework, the research is mainly focused on the calculation of the electrophoretic mobility. Since this transport coefficient is independent of the electric field only for small driving, the algorithm is based upon a linearization of the governing equations. The zeroth order is the well known Poisson-Boltzmann theory and the first order is a coupled set of linear equations. Furthermore, this set of equations is divided into several subproblems. A specialized solver for each subproblem is developed, and various tests and applications are discussed for every particular method. Finally, all solvers are combined in an iterative procedure and applied to several interesting questions, for example, the effect of the screening mechanism on the electrophoretic mobility or the charge dependence of the field-induced dipole moment and ion clouds surrounding a weakly charged sphere. In the second part a quantitative data analysis method is developed for a new experimental approach, known as "Total Internal Reflection Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy" (TIR-FCCS). The TIR-FCCS setup is an optical method using fluorescent colloidal particles to analyze the flow field close to a solid-fluid interface. The interpretation of the experimental results requires a theoretical model, which is usually the solution of a convection-diffusion equation. Since an analytic solution is not available due to the form of the flow field and the boundary conditions, an alternative numerical approach is presented. It is based on stochastic methods, i. e. a combination of a Brownian Dynamics algorithm and Monte Carlo techniques. Finally, experimental measurements for a hydrophilic surface are analyzed using this new numerical approach.

Metodi di tipo level set per la segmentazione di immagini di nevi

La tesi in oggetto propone un algoritmo che viene incontro alla necessità di segmentare in modo regolare immagini di nevi. Si è fatto uso di metodi level set region-based in una formulazione variazionale. Tale metodo ha permesso di ottenere una segmentazione precisa, adattabile a immagini di nevi con caratteristiche molto diverse ed in tempi computazionali molto bassi.

Dynamics and control issues of multi-rotor platforms

This thesis deals with the analytic study of dynamics of Multi--Rotor Unmanned Aerial Vehicles. It is conceived to give a set of mathematical instruments apt to the theoretical study and design of these flying machines. The entire work is organized in analogy with classical academic texts about airplane flight dynamics. First, the non--linear equations of motion are defined and all the external actions are modeled, with particular attention to rotors aerodynamics. All the equations are provided in a form, and with personal expedients, to be directly exploitable in a simulation environment. This has requited an answer to questions like the trim of such mathematical systems. All the treatment is developed aiming at the description of different multi--rotor configurations. Then, the linearized equations of motion are derived. The computation of the stability and control derivatives of the linear model is carried out. The study of static and dynamic stability characteristics is, thus, addressed, showing the influence of the various geometric and aerodynamic parameters of the machine and in particular of the rotors. All the theoretic results are finally utilized in two interesting cases. One concerns the design of control systems for attitude stabilization. The linear model permits the tuning of linear controllers gains and the non--linear model allows the numerical testing. The other case is the study of the performances of an innovative configuration of quad--rotor aircraft. With the non--linear model the feasibility of maneuvers impossible for a traditional quad--rotor is assessed. The linear model is applied to the controllability analysis of such an aircraft in case of actuator block.

Ricostruzione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di temperature massime e minime giornaliere per un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

Dati climatici ad alta risoluzione sono attualmente molto richiesti essendo indispensabili per la valutazione degli impatti dei cambiamenti climatici alla scala locale in svariati campi d'applicazione. Per aumentare l'offerta di tali dati per il territorio italiano viene presentata in questo studio la realizzazione di un data-set con risoluzione di trenta secondi d'arco, per le temperature massime e minime giornaliere per il Trentino Alto Adige, per il periodo che va dal 1951 al 2014. La metodologia utilizzata per proiettare i dati meteorologici di un set di stazioni su di un grigliato ad alta risoluzione si basa sull'assunzione che la struttura spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una determinata area possa essere descritta dalla sovrapposizione di due campi:i valori normali relativi e un periodo standard, ovvero la climatologia,e le deviazioni da questi, ovvero le anomalie. La climatologia mensile verrà interpolata sull'intero dominio tramite una regressione lineare pesata della temperatura rispetto alla quota,stimata separatamente per ogni nodo del grigliato,con pesi legati alla topografia del territorio,in modo da attribuire di volta in volta la massima importanza alle stazioni con caratteristiche più simili a quella del punto di griglia considerato. Da questa sarà possibile tramite la sovrapposizione con le anomalie mensili ricostruite sul medesimo grigliato, ottenute mediante un'interpolazione basata su una media pesata,ottenere un grigliato a 30 secondi d'arco, di serie temporali mensili in valori assoluti. Combinando poi l'interpolazione dei rapporti delle anomalie giornaliere relative alla media mensile per un set di stazioni con i campi mensili precedentemente stimati,sarà possibile costruire il data-set a risoluzione giornaliera. Prima di quest'ultima fase sarà necessario effettuare un'operazione di sincronizzazione dei dati giornalieri per assicurarsi che non vi siano sfasamenti nelle serie utilizzate. I risultati confermano l'efficacia nell'utilizzo di tale metodo su regioni orograficamente complesse, sia nel confronto diretto con i casi di studio,nei quali si nota bene la discriminazione spaziale effettuata dal modello, che nella valutazione dell'accuratezza e della precisione dei risultati. I dati ottenuti non sono affetti da errori sistematici,mentre l'errore medio assoluto risulta pari od inferiore ai $2^{\circ}$C, in linea con precedenti studi realizzati su altre aree alpine. Il metodo e i risultati risultano soddisfacenti ma ulteriormente migliorabili, sia tramite un ulteriore ottimizzazione del modello usato, che con un aumento nella qualità dei dati sui quali è stato svolto lo studio.

Set up of a procedure for correlation analysis between current discharge and dose delivery in a pulsed power plasma device for medical application

This thesis work aims to find a procedure for isolating specific features of the current signal from a plasma focus for medical applications. The structure of the current signal inside a plasma focus is exclusive of this class of machines and a specific analysis procedure has to be developed. The hope is to find one or more features that shows a correlation with the dose erogated. The study of the correlation between the current discharge signal and the dose delivered by a plasma focus could be of some importance not only for the practical application of dose prediction but also for expanding the knowledge anbout the plasma focus physics. Vatious classes of time-frequency analysis tecniques are implemented in order to solve the problem.

Realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili su un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

In questa tesi si presenta la realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili (per il periodo 1921-2014), per la regione del Trentino-Alto Adige. Esso è basato su una densa rete di stazioni con osservazioni di lunga durata, sottoposte ai necessari controlli di qualità. La tecnica di interpolazione si basa sull'assunzione che la configurazione spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una certa area possa essere descritta con la sovrapposizione di due campi: i valori normali relativi a un periodo standard (1961-1990), ossia le climatologie, e le deviazioni da questi, ossia le anomalie. Le due componenti possono venire ricostruite tramite metodologie diverse e si possono basare su data-set indipendenti. Per le climatologie bisogna avere un elevato numero di stazioni (anche se disponibili per un lasso temporale limitato); per le anomalie viceversa la densità spaziale ha un rilievo minore a causa della buona coerenza spaziale della variabilità temporale, mentre è importante la qualità dei dati e la loro estensione temporale. L'approccio utilizzato per le climatologie mensili è la regressione lineare pesata locale. Per ciascuna cella della griglia si stima una regressione lineare pesata della precipitazione in funzione dell'altitudine; si pesano di più le stazioni aventi caratteristiche simili a quelle della cella stessa. Invece le anomalie mensili si ricavano, per ogni cella di griglia, grazie a una media pesata delle anomalie delle vicine stazioni. Infine la sovrapposizione delle componenti spaziale (climatologie) e temporale (anomalie) consente di ottenere per ogni nodo del grigliato una serie temporale di precipitazioni mensili in valori assoluti. La bontà dei risultati viene poi valutata con gli errori quadratici medi (RMSE) e i coefficienti di correlazione di Pearson delle singole componenti ricostruite. Per mostrare le potenziali applicazioni del prodotto si esaminano alcuni casi studio.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.

Phylogenetic approach reveals that virus genotype largely determines HIV set-point viral load

HIV virulence, i.e. the time of progression to AIDS, varies greatly among patients. As for other rapidly evolving pathogens of humans, it is difficult to know if this variance is controlled by the genotype of the host or that of the virus because the transmission chain is usually unknown. We apply the phylogenetic comparative approach (PCA) to estimate the heritability of a trait from one infection to the next, which indicates the control of the virus genotype over this trait. The idea is to use viral RNA sequences obtained from patients infected by HIV-1 subtype B to build a phylogeny, which approximately reflects the transmission chain. Heritability is measured statistically as the propensity for patients close in the phylogeny to exhibit similar infection trait values. The approach reveals that up to half of the variance in set-point viral load, a trait associated with virulence, can be heritable. Our estimate is significant and robust to noise in the phylogeny. We also check for the consistency of our approach by showing that a trait related to drug resistance is almost entirely heritable. Finally, we show the importance of taking into account the transmission chain when estimating correlations between infection traits. The fact that HIV virulence is, at least partially, heritable from one infection to the next has clinical and epidemiological implications. The difference between earlier studies and ours comes from the quality of our dataset and from the power of the PCA, which can be applied to large datasets and accounts for within-host evolution. The PCA opens new perspectives for approaches linking clinical data and evolutionary biology because it can be extended to study other traits or other infectious diseases.

Kernel density correlation based non-rigid point set matching for statistical model-based 2D/3D reconstruction

This paper presents a kernel density correlation based nonrigid point set matching method and shows its application in statistical model based 2D/3D reconstruction of a scaled, patient-specific model from an un-calibrated x-ray radiograph. In this method, both the reference point set and the floating point set are first represented using kernel density estimates. A correlation measure between these two kernel density estimates is then optimized to find a displacement field such that the floating point set is moved to the reference point set. Regularizations based on the overall deformation energy and the motion smoothness energy are used to constraint the displacement field for a robust point set matching. Incorporating this non-rigid point set matching method into a statistical model based 2D/3D reconstruction framework, we can reconstruct a scaled, patient-specific model from noisy edge points that are extracted directly from the x-ray radiograph by an edge detector. Our experiment conducted on datasets of two patients and six cadavers demonstrates a mean reconstruction error of 1.9 mm

Thermodynamics of Forming Water Clusters at Various Temperatures and Pressures by Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO Model Chemistries; Implications for Atmospheric Chemistry

The Gaussian-2, Gaussian-3, complete basis set- (CBS-) QB3, and CBS-APNO methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2−6. The structures are similar to those determined from experiment and from previous high-level calculations. The thermodynamic calculations by the G2, G3, and CBS-APNO methods compare well against the estimated MP2(CBS) limit. The cyclic pentamer and hexamer structures release the most heat per hydrogen bond formed of any of the clusters. While the cage and prism forms of the hexamer are the lowest energy structures at very low temperatures, as temperature is increased the cyclic structure is favored. The free energies of cluster formation at different temperatures reveal interesting insights, the most striking being that the cyclic trimer, cyclic tetramer, and cyclic pentamer, like the dimer, should be detectable in the lower troposphere. We predict water dimer concentrations of 9 × 1014 molecules/cm3, water trimer concentrations of 2.6 × 1012 molecules/cm3, tetramer concentrations of approximately 5.8 × 1011 molecules/cm3, and pentamer concentrations of approximately 3.5 × 1010 molecules/cm3 in saturated air at 298 K. These results have important implications for understanding the gas-phase chemistry of the lower troposphere.

Experimentation with different thermodynamic cycles used for pKa calculations on carboxylic acids using Complete Basis Set and Gaussian-n Models combined with CPCM Continuum Solvation Methods

Complete basis set and Gaussian-n methods were combined with Barone and Cossi's implementation of the polarizable conductor model (CPCM) continuum solvation methods to calculate pKa values for six carboxylic acids. Four different thermodynamic cycles were considered in this work. An experimental value of −264.61 kcal/mol for the free energy of solvation of H+, ΔGs(H+), was combined with a value for Ggas(H+) of −6.28 kcal/mol, to calculate pKa values with cycle 1. The complete basis set gas-phase methods used to calculate gas-phase free energies are very accurate, with mean unsigned errors of 0.3 kcal/mol and standard deviations of 0.4 kcal/mol. The CPCM solvation calculations used to calculate condensed-phase free energies are slightly less accurate than the gas-phase models, and the best method has a mean unsigned error and standard deviation of 0.4 and 0.5 kcal/mol, respectively. Thermodynamic cycles that include an explicit water in the cycle are not accurate when the free energy of solvation of a water molecule is used, but appear to become accurate when the experimental free energy of vaporization of water is used. This apparent improvement is an artifact of the standard state used in the calculation. Geometry relaxation in solution does not improve the results when using these later cycles. The use of cycle 1 and the complete basis set models combined with the CPCM solvation methods yielded pKa values accurate to less than half a pKa unit. © 2001 John Wiley & Sons, Inc. Int J Quantum Chem, 2001

Accurate pKa Calculations for Carboxylic Acids Using Complete Basis Set and Gaussian-n Models Combined with CPCM Continuum Solvation Methods”

Complete Basis Set and Gaussian-n methods were combined with CPCM continuum solvation methods to calculate pKa values for six carboxylic acids. An experimental value of −264.61 kcal/mol for the free energy of solvation of H+, ΔGs(H+), was combined with a value for Ggas(H+) of −6.28 kcal/mol to calculate pKa values with Cycle 1. The Complete Basis Set gas-phase methods used to calculate gas-phase free energies are very accurate, with mean unsigned errors of 0.3 kcal/mol and standard deviations of 0.4 kcal/mol. The CPCM solvation calculations used to calculate condensed-phase free energies are slightly less accurate than the gas-phase models, and the best method has a mean unsigned error and standard deviation of 0.4 and 0.5 kcal/mol, respectively. The use of Cycle 1 and the Complete Basis Set models combined with the CPCM solvation methods yielded pKa values accurate to less than half a pKa unit.

Accurate relative pKa calculations for carboxylic acids using complete basis set and Gaussian-n models combined with continuum solvation methods

The complete basis set methods CBS-4, CBS-QB3, and CBS-APNO, and the Gaussian methods G2 and G3 were used to calculate the gas phase energy differences between six different carboxylic acids and their respective anions. Two different continuum methods, SM5.42R and CPCM, were used to calculate the free energy differences of solvation for the acids and their anions. Relative pKa values were calculated for each acid using one of the acids as a reference point. The CBS-QB3 and CBS-APNO gas phase calculations, combined with the CPCM/HF/6-31+G(d)//HF/6-31G(d) or CPCM/HF/6-31+G(d)//HF/6-31+G(d) continuum solvation calculations on the lowest energy gas phase conformer, and with the conformationally averaged values, give results accurate to ½ pKa unit. © 2001 American Institute of Physics.