Multi-Fidelity Multidisciplinary Whole Engine Thermo-Mechanical Design Optimization

Traditionally, the optimization of a turbomachinery engine casing for tip clearance has involved either twodimensional transient thermomechanical simulations or three-dimensional mechanical simulations. This paper illustrates that three-dimensional transient whole-engine thermomechanical simulations can be used within tip clearance optimizations and that the efficiency of such optimizations can be improved when a multifidelity surrogate modeling approach is employed. These simulations are employed in conjunction with a rotor suboptimization using surrogate models of rotor-dynamics performance, stress, mass and transient displacements, and an engine parameterization.

Thermo-Mechanical Properties of Poly ε-Caprolactone/Poly L-Lactic Acid Blends: Addition of Nalidixic Acid and Polyethylene Glycol Additives Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

The search for ideal biomaterials is still on-going for tissue regeneration. In this study, blends of Poly ε-caprolactone (PCL) with Poly l-lactic acid (PLLA), Nalidixic Acid (NA) and Polyethylene glycol (PEG) were prepared. Mechanical and thermal properties of the blends were investigated by tensile and flexural analysis, DSC, TGA, WXRD, MFI, BET, SEM and hot stage optical microscopy. Results showed that the loading of PLLA caused a significant decrease in tensile strength and almost total eradication of the elongation at break of PCL matrix, especially after PEG and NA addition. Increased stiffness was also noted with additional NA, PEG and PLLA, resulting in an increase in the flexural modulus of the blends.
Isothermal degradation indicated that bulk PCL, PLLA and the blends were thermally stable at 200°C for the duration of 2h making extrusion of the blends at this temperature viable. Morphological study showed that increasing the PLLA content and addition of the very low viscosity PEG and powder NA decreased the Melt Flow Indexer and increased the viscosity.
At the higher temperature the PLLA begins to soften and eventually melts allowing for increased flow and, coupling this with, the natural increase in MFI caused by temperature is enhanced further. The PEG and NA addition increased dramatically the pore volume which is important for cell growth and flow transport of nutrients and metabolic waste.

Novel titania sol-gel derived film for luminescence-based oxygen sensing.

A novel method for the preparation of titania sol–gel derived oxygen sensors based on the ruthenium(II) dye, [Ru(bpy)3]2+, is described. A titania sol–gel paste film was cast onto microscope slides, and the dye ion-paired to the deprotonated, hydroxylated groups on the film's surface from an aqueous solution of the dye at pH 11. The resulting sensor film is extremely oxygen sensitive, with a PO2 (S = 1/2) value (i.e. the partial pressure of oxygen required in order to reduce the original, oxygen free, luminescence intensity by 50%) of 0.011 atm. The sensor undergoes 95% response to oxygen in 4 s, and shows 95% recovery of its luminescence in argon within 7 s.

Switching ‘on’ the Luminescence of One Metal Ion with Another: Selectivity Characteristics with Respect to the Emitting and Triggering Metal

Complexes 1a·EuIII and 1b·EuIII, but not 1a·TbIII and 1b·TbIII, display strong ‘off–on’ switching of delayed luminescence with alkali cations; the switching efficiency of 1b·EuIII is stronger with K+ rather than Na+.

Easily Accessible Rare-Earth-Containing Phosphonium Room-Temperature Ionic Liquids: EXAFS, Luminescence and Magnetic Properties

A range of liquid rare-earth chlorometallate complexes with alkyl-phosphonium cations, [P666 14]+, has been synthesised and characterised. EXAFS confirmed the predominant liquid-state speciation of the [LnCl6]3- of the series with Ln = Nd, Eu, Dy. The crystal structure of the shorter-alkyl-chain cation analogue [P4444]+ has been determined and exhibits a very large unit cell. The luminescence properties, with visible light emissions of the liquid Tb, Eu, Pr and Sm and the NIR emissions for the Nd and Er compounds were determined. The effective magnetic moments were measured and fitted for the Nd, Tb, Ho, Dy, Gd and Er samples.

Functional expression of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts

Introduction: Accumulating evidence supports a role for odontoblasts in initiating tooth pain, however direct ionic mechanisms underlying dentine nociceptive function remain unclear. The transient receptor potential (TRP) ion channels are directly related to cellular mechanisms of nociception and thermo-sensitive function but their expression by human odontoblasts remains to be determined. Objectives: To investigate the expression and functionality of the thermo-sensitive TRP channels TRPV1, TRPV4, TRPM8 and TRPA1 in human odontoblasts. Methods: Human odontoblasts were derived from dental pulp of immature permanent third molars by explant method. Cell lysates of odontoblasts were subject to SDS- polyacrylamide gel electrophoresis and proteins were blotted onto nitrocellulose membranes. Blots were probed with primary antibodies to TRPA1, TRPM8, TRPV4 and TRPV1. Detection of bound primary antibodies was achieved using appropriate anti-species antibody conjugates and chemiluminescent substrates. Functionality of the channels was determined with Ca2+ microfluorimetry, where cells grown in cover slips and incubated with Fura 2AM prior to stimulation with capsaicin (TRPV1 agonist), 4 alpha-phorbol 12,13-didecanoate (4áPDD) (TRPV4 agonist), icilin (TRPA1 agonist) and menthol (TRPM8 agonist). Emitted fluorescence was measured and the fluorescence ratio (R) was calculated as F340/F380 to determine the level of [Ca2+]i. Results: Western blotting confirmed the molecular localisation of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts. Functionality assays revealed increase in [Ca2+]i in response to capsacin, icillin, methanol and 4áPDD indicating functional expression of TRPV1, TRPA1, TRPM8 and TRPV4 respectively. Conclusions: Functional expression of thermo-sensitive TRP channels in human odontoblasts may indicate a crucial role for odontoblasts in thermally induced dental pain. (Supported by a Research Grant from the Royal College of Surgeons of Edinburgh)

Lanthanide oxide nanotubes and nanorods: synthesis, processing, luminescence and catalytic properties

Esta tese relata estudos de síntese, caracterização da estrutura e das propriedades de fotoluminescência e aplicações de nanotubos e nanobastonetes de óxidos de lantanídeos em pontas para microscopia de força atómica, catálise heterogénea e compósitos de base polimérica. Há um interesse crescente em compreender como o confinamento quântico decorrente da redução do tamanho de partícula pode influenciar a eficiência da luminescência, a dinâmica dos estados excitados, a transferência de energia e os efeitos de termalização de nanoluminóforos. Em nanocristais dopados com lantanídeos (Ln3+), e apesar da localização dos estados 4f, ocorrem efeitos de confinamento quântico via interacção com os modos vibracionais da rede. Em particular, a termalização anómala, descrita para uma variedade de nanocristais dopados com Ln3+, tem sido atribuída à ausência de modos vibracionais de menor frequência. Este nanoconfinamento pode ter impacto na dinâmica da luminescência, bem como na transferência de energia mediada por modos vibracionais e processos de upconversion. Nesta tese, relata-se o estudo deste efeito em nanotubos de Gd2O3:Eu3+. A influência de parâmetros como a concentração de európio e as condições de calcinação também foi investigada. Algumas aplicações destes óxidos de lantanídeos também foram exploradas, nomeadamente a modificação de pontas usadas em microscopia de força atómica com nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+, lograda através de dielectroforese, técnica que não degrada a emissão de luz (rendimento quântico 0.47). As pontas modificadas são estáveis sob condições de trabalho, podendo ser aplicadas, por exemplo, em microscopia óptica de varrimento de campo próximo (SNOM). A oxidação em fase líquida do etilbenzendo foi investigada usando como catalisador nanotubos de CeO2, em presença dos oxidantes hidroperóxido de t-butilo e H2O2, e do solvente acetonitrilo, e temperaturas entre 55 e 105 ºC. Nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+ recobertos com sílica foram preparados pelo método sol-gel. Esta cobertura resultou num aumento, quer do rendimento quântico de emissão, de 0.51 para 0.86 (excitação a 255 nm), quer dos tempos de vida,de 1.43 para 1.80 ms (excitação a 394.4 nm). A superfície dos nanotubos cobertos com sílica foi modificada com o agente de acoplamento metacrilato de 3-(trimetoxissilil)propilo que permitiu a preparação de compósitos através da subsequente polimerização in-situ do estireno por técnicas de miniemulsão e solução. ABSTRACT: This thesis reports on the synthesis, characterisation of the structure and photoluminescence properties, and applications of nanotubes and nanorods of lanthanides oxides in atomic force microscopy tips, heterogeneous catalysis and polymer-base composites. There is a growing interest in understanding how size-dependent quantum confinement affects the photoluminescence efficiency, excited-state dynamics, energy-transfer and thermalisation phenomena in nanophosphors. For lanthanide (Ln3+)-doped nanocrystals, and despite the localisation of the 4f states, confinement effects are induced mostly via electron-phonon interactions. In particular, the anomalous thermalisation reported for a handful of Ln3+-doped nanocrystals has been rationalised by the absence of lowfrequency phonon modes. This nanoconfinement may further impact on the Ln3+ luminescence dynamics, such as phonon-assisted energy transfer or upconversion processes. Here, this effect is investigated in Gd2O3:Eu3+ nanotubes. The influence of parameters such as europium concentration and calcination procedure is also studied. Some applications of these lanthanides oxides have been explored, for instance the modification of atomic force microscopy tips with photoluminescent Gd2O3:Eu3+ nanorods, using dielectrophoresis, a technique which preserves the red emission of the nanorods (quantum yield 0.47). The modified tips are stable under working conditions and may find applications in scanning near-field optical microscopy. The liquid-phase oxidation of ethylbenzene over CeO2 nanotubes has been investigated, using tert-butyl-hydroperoxide and H2O2 as the oxidising agents, and acetonitrile as the solvent, in the range 55-105 ºC. Gd2O3:Eu3+ nanorods have been coated with silica via a sol-gel approach. The silica coating increases both, the Eu3+ absolute emission quantum yields from 0.51 to 0.86 (255 nm excitation), and decay times from 1.43 to 1.80 ms (394.4 nm excitation). The silica coating was modified with 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and, subsequently, composites have been prepared by in-situ radical polymerisation of styrene via miniemulsion and solution routes.

Persistent luminescence of SrAl2O4:Ce(III), Dy, Eu nanotubes, nanowires and core-shells for people with disabilities: nano-emergency

Este estudo transversal está focado na propriedade de luminescência persistente do aluminato de estrôncio co-dopado com cério (III), disprósio (III) e európio (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, em sistemas de sinalização de áreas de risco e emergências para pessoas com deficiências. Na área da ciência e engenharia dos materiais, foram desenvolvidos novos materiais com características nanométricas, nanotubos, nanoarames e nanobastões luminescentes de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ para aplicações na área da reabilitação e acessibilidade de pessoas com deficiências. Os nanotubos foram obtidos a partir de micro- e nano-partículas precursoras sintetizadas por reacção do estado-sólido e tratamento térmico de recozedura (1273-1473 K). Os nanoarames e nanobastões foram preparados por moagem, sonificação e recozedura (373 K). Novas nanocápsulas de aluminatos luminescentes dopados com cério (III) e encapsulados com TiO2 foram criadas de modo a obter-se materiais multifuncionais, designadamente com acção fotocatalítica antimicrobiana, antibacteriana e resistência à água. Tais aluminatos podem ser amplamente aplicados como superfícies higiénicas, auto-limpantes, em biomateriais, no domínio de medicamentos antibióticos, na formulação de vacinas, e com ênfase à aplicação em cerâmicas fotoluminescentes. As metodologias de obtenção de tais nanoestruturas de aluminato de estrôncio dopado com cério (III) e do seu encapsulamento, desenvolvidas no âmbito desta tese, são aplicáveis a diversos aluminatos dopados com outros iões lantanídeos (Ln consiste em La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm ou Lu) com a fórmula M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny, onde M é Be, Mg, Ca, Sr ou Ba. Na área da oftalmologia, foi desenvolvido um equipamento médico para o diagnóstico de biofuncionalidade das células retinais fotoreceptoras, e como suporte à telemedicina oftalmológica. Este equipamento foi utilizado para realizar testes de visão cromática FM100HUE em fundo branco/preto para a personalização de materiais luminescentes. Os resultados demonstraram uma biofuncionalidade celular à visibilidade fotópica das cores em fundo preto superior no grupo de tratamento, composto por pessoas com retinopatia diabética (n=38), em comparação ao grupo de referência (n=38). Estes resultados sugerem a recomendação de materiais com fotoluminescência persistente (λem=485-555 nm), incluindo SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, para o referido grupo de tratamento, em sinalização de emergência e em ambientes de baixa iluminação. Na área da arquitectura, foi proposta uma nova aplicação dos referidos nanomateriais luminescentes à base de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ em cerâmica de revestimento, tendo em vista a sua boa visibilidade e uso por pessoas com deficiências. Novos pavimentos, cerâmicos, fotoluminescentes, foram desenhados com propriedades multisensoriais (contraste táctil, sonoro e visual) e antimicrobianas, para pessoas portadoras de deficiências utilizarem, no escuro, com a prioridade de salvar vidas em emergências. Tais pisos, com relevos, podem ser combinados de modo a compor um sistema exclusivo de sinalização fotoluminescente multisensorial que possibilita a rápida evacuação mediante o uso de auxílios de mobilidade (e.g. bengala, cadeira de rodas, andadores, muletas). A solução integrada de tais inovações que potencializa a propriedade de luminescência persistente de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ de modo acessível para as pessoas com deficiências, pode contribuir para salvar vidas, no escuro, em emergências.