Monte Carlo study of the finite-size effects on the magnetization of maghemite small particles

Monte Carlo simulations of a model for gamma-Fe2O3 (maghemite) single particle of spherical shape are presented aiming at the elucidation of the specific role played by the finite size and the surface on the anomalous magnetic behavior observed in small particle systems at low temperature. The influence of the finite-size effects on the equilibrium properties of extensive magnitudes, field coolings, and hysteresis loops is studied and compared to the results for periodic boundaries. It is shown that for the smallest sizes the thermal demagnetization of the surface completely dominates the magnetization while the behavior of the core is similar to that of the periodic boundary case, independently of D. The change in shape of the hysteresis loops with D demonstrates that the reversal mode is strongly influenced by the presence of broken links and disorder at the surface

Photonic characteristics of Langmuir-Blodgett self-assembled monolayers of colloidal silica particles

Monodispersed colloidal crystals based on silica sub-micrometric particles were synthesized using the Stöber-Fink-Bohn process. The control of nucleation and coalescence result in improved characteristics such as high sphericity and very low size dispersion. The resulting silica particles show characteristics suitable for self-assembling across large areas of closely-packed 2D crystal monolayers by an accurate Langmuir-Blodgett deposition process on glass, fused silica and silicon substrates. Due to their special optical properties, colloidal films have potential applications in fields including photonics, electronics, electro-optics, medicine (detectors and sensors), membrane filters and surface devices. The deposited monolayers of silica particles were characterized by means of FESEM, AFM and optical transmittance measurements in order to analyze their specific properties and characteristics. We propose a theoretical calculation for the photonic band gaps in 2D systems using an extrapolation of the photonic behavior of the crystal from 3D to 2D. In this work we show that the methodology used and the conditions in self-assembly processes are decisive for producing high-quality two-dimensional colloidal crystals by the Langmuir-Blodgett technique.

Role of Tamm-Horsfall protein and uromodulin in calcium oxalate crystallization

One of the defenses against nephrolithiasis is provided by macromolecules that modulate the nucleation, growth, aggregation and retention of crystals in the kidneys. The aim of the present study was to determine the behavior of two of these proteins, Tamm-Horsfall and uromodulin, in calcium oxalate crystallization in vitro. We studied a group of 10 male stone formers who had formed at least one kidney stone composed of calcium oxalate. They were classified as having idiopathic nephrolithiasis and had no well-known metabolic risk factors involved in kidney stone pathogenesis. Ten normal men were used as controls, as was a group consisting of five normal women and another consisting of five pregnant women. Crystallization was induced by a fixed supersaturation of calcium oxalate and measured with a Coulter Counter. All findings were confirmed by light and scanning electron microscopy. The number of particulate material deposited from patients with Tamm-Horsfall protein was higher than that of the controls (P<0.001). However, Tamm-Horsfall protein decreased the particle diameter of the stone formers when analyzed by the mode of the volume distribution curve (P<0.002) (5.64 ± 0.55 µm compared to 11.41 ± 0.48 µm of uromodulin; 15.94 ± 3.93 µm and 12.45 ± 0.97 µm of normal men Tamm-Horsfall protein and uromodulin, respectively; 8.17 ± 1.57 µm and 9.82 ± 0.95 µm of normal women Tamm-Horsfall protein and uromodulin, respectively; 12.17 ± 1.41 µm and 12.99 ± 0.51 µm of pregnant Tamm-Horsfall protein and uromodulin, respectively). Uromodulin produced fewer particles than Tamm-Horsfall protein in all groups. Nonetheless, the total volume of the crystals produced by uromodulin was higher than that produced by Tamm-Horsfall protein. Our results indicate a different effect of Tamm-Horsfall protein and uromodulin. This dual behavior suggests different functions. Tamm-Horsfall protein may act on nucleation and inhibit crystal aggregation, while uromodulin may promote aggregation of calcium oxalate crystals.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

Implémentation de la répartition de charge et du mode TOT pour la simulation d’un détecteur Timepix à pixels

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'{a}rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal.

Biogenesis of the C. elegans germline syncytium: from nucleation to maturation

La vie commence par la fusion des gamètes pour générer un zygote, dans lequel les constituants à la fois de l'ovocyte et des spermatozoïdes sont partagés au sein d'un syncytium. Le syncytium consiste en des cellules ou tissus dans lesquels des cellules nucléées individuelles distinctes partagent un cytoplasme commun. Alors que l’avantage du syncytium durant la fécondation est tout à fait évident, les syncytia se produisent également dans de nombreux contextes de développement différents dans les plantes, les champignons et dans le règne animal, des insectes aux humains, pour des raisons qui ne sont pas immédiatement évidentes. Par exemple, la lignée germinale de nombreuses espèces de vertébrés et d'invertébrés, des insectes aux humains, présente une structure syncytiale, suggérant que les syncytia constituent des phases conservées de développement de la lignée germinale. Malgré la prévalence commune des syncytia, ces derniers ont cependant confondu les scientifiques depuis des décennies avec des questions telles que la façon dont ils sont formés et maintenus en concurrence avec leurs homologues diploïdes, et quels sont les avantages et les inconvénients qu'ils apportent. Cette thèse va décrire l'utilisation de la lignée germinale syncytiale de C. elegans afin d'approfondir notre compréhension de l'architecture, la fonction et le mode de formation des tissus syncytiaux. Les cellules germinales (CGs) dans la lignée germinale de C. elegans sont interconnectées les unes aux autres par l'intermédiaire de structures appelées des anneaux de CG. En utilisant l'imagerie des cellules vivantes, nous avons d'abord analysé l'architecture syncytiale de la lignée germinale au long du développement et démontré que la maturation de l'anneau de CG se produit progressivement au cours de la croissance des larves et que les anneaux de CG sont composés de myosine II, de l'anilline canonique ANI-1, et de la courte isoforme d’anilline ANI-2, qui n'a pas les domaines de liaison à l’actine et à la myosine, depuis le premier stade larvaire, L1. Parmi les composants de l'anneau de CG, ANI-2 est exprimé au cours du développement et exclusivement enrichi entre les deux CGs primordiales (CGPs) au cours de l'embryogenèse de C. elegans, indiquant qu’ANI-2 est un composant bona fide des anneaux de CG. Nous avons en outre montré que les anneaux de CG sont largement absents dans les animaux mutants pour ani-2, montrant que leur maintien repose sur l'activité d'ANI-2. Contrairement à cela, nous avons trouvé que la déplétion d’ANI-1 a augmenté à la fois le diamètre des anneaux de CG et la largeur du rachis. Fait intéressant, la déplétion d’ANI-1 dans les mutants d’ani-2 a sauvé les défauts d'anneaux de CG des gonades déficientes en ani-2, ce qui suggère que l'architecture syncytiale de la lignée germinale de C. elegans repose sur un équilibre de l'activité de ces deux protéines Anilline. En outre, nous avons montré que lors de leur entrée à l'âge adulte, les mutants ani-2 présentent de sévères défauts de multinucléation des CGs qui découlent de l'effondrement des membranes de séparation des CGs individuelles. Cette multinucléation a coïncidé avec le début de la diffusion cytoplasmique, dont le blocage réduit la multinucléation des gonades mutantes pour ani-2, suggérant que les anneaux de CG résistent au stress mécanique associé au processus de diffusion cytoplasmique. En accord avec cela, nous avons trouvé aussi que la gonade peut soutenir la déformation élastique en réponse au stress mécanique et que cette propriété repose sur la malléabilité des anneaux de CGs. Dans une étude séparée afin de comprendre le mécanisme de formation du syncytium, nous avons suivi la dynamique de division de la cellule précurseur de la lignée germinale, P4 en deux CGP dans l’embryon de C. elegans. Nous avons démontré que les CGPs commencent la cytocinèse de manière similaire aux cellules somatiques, en formant un sillon de clivage, qui migre correctement et transforme ainsi l'anneau contractile en anneau de « midbody ring » (MBR), une structure qui relie de manière transitoire les cellules en division. Malgré cela, les CGPs, contrairement à leurs homologues somatiques, ne parviennent pas à accomplir la dernière étape de la cytocinèse, qui est la libération abscission-dépendante du MBR. Au lieu de cela, le MBR persiste à la frontière entre les CGPs en division et subit une réorganisation et une maturation pour se transformer finalement en structures en forme d'anneau qui relient les cellules en division. Nous montrons en outre que les composants du MB/MBR; UNC-59Septin, CYK-7, ZEN-4Mklp1, RHO-1RhoA sont localisés à des anneaux de CG au long du développement de la lignée germinale du stade L1 à l'âge adulte, ce qui suggère que les anneaux de CG sont dérivés des MBR. Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour comprendre pleinement le mécanisme précis de la formation du syncytium, le maintien, ainsi que la fonction du syncytium, nos résultats appuient un modèle dans lequel la stabilisation du MBR et la cytocinèse incomplète pourraient être une option conservée dans l’évolution pour la formation du syncytium. En outre, notre travail démontre que les régulateurs de la contractilité peuvent jouer un rôle dans la maturation et l’élasticité de l'anneau de CG au cours du développement de la lignée germinale, fournissant un ajout précieux pour une plus ample compréhension de la syncytiogenèse et de sa fonction.

Immobilization of nitrifying bacterial consortia on wood particles for bioaugmenting nitrification in shrimp culture systems

Shrimp grow out systems under zero water exchange mode demand constant remediation of total ammonia nitrogen (TAN) andNO2 −–Nto protect the crop. To address this issue, aninexpensive and user-friendly technology using immobilized nitrifying bacterial consortia (NBC) as bioaugmentors has been developed and proposed for adoption in shrimp culture systems. Indigenous NBC stored at 4 °C were activated at room temperature (28 °C) and cultured in a 2 L bench top fermentor. The consortia, after enumeration by epifluorescence microscopy,were immobilized on delignifiedwood particles of a soft wood tree Ailantus altissima (300–1500 μm) having a surface area of 1.87m2 g−1. Selection of wood particle as substratumwas based on adsorption of NBC on to the particles, biofilm formation, and their subsequent nitrification potential. The immobilization could be achievedwithin 72 h with an initial cell density of 1×105 cells mL−1. On experimenting with the lowest dosage of 0.2 g (wet weight) immobilized NBC in 20 L seawater, a TAN removal rate of 2.4 mg L−1 within three days was observed. An NBC immobilization device could be developed for on site generation of the bioaugmentor preparation as per requirement. The product of immobilization never exhibited lag phase when transferred to fresh medium. The extent of nitrification in a simulated systemwas two times the rate observed in the control systems suggesting the efficacy in real life situations. The products of nitrification in all experiments were undetectable due to denitrifying potency, whichmade the NBC an ideal option for biological nitrogen removal. The immobilized NBC thus generated has been named TANOX (Total Ammonia Nitrogen Oxidizer)

Effect of time and mode of depuration on tissue copper concentrations of the earthworms Eisenia andrei, Lumbricus rubellus and Lumbricus terrestris

Eisenia andrei, Lumbricus rubellus and Lumbricus terrestris were exposed to 250, 250 and 350 mg kg(-1) Cu respectively in Cu(NO3)(2(aq)) amended soil for 28 d. Earthworms were then depurated for 24 to 72 h, digested and analysed for Cu and Ti or, subsequent to depuration were dissected to remove any remaining soil particles from the alimentary canal and then digested and analysed. This latter treatment proved impossible for E. andrei due to its small size. Regardless of depuration time, soil particles were retained in the alimentary canal of L. rubellus and L. terrestris. Tissue concentration determinations indicate that E. andrei should be depurated for 24 h, L. rubellus for 48 h and L. terrestris should be dissected. Ti was bioaccumulated and therefore could not be used as an inert tracer to determine mass of retained soil. Calculations indicate that after 28 d earthworms were still absorbing Cu from soil. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

State estimation using the particle filter with mode tracking

A particle filter is a data assimilation scheme that employs a fully nonlinear, non-Gaussian analysis step. Unfortunately as the size of the state grows the number of ensemble members required for the particle filter to converge to the true solution increases exponentially. To overcome this Vaswani [Vaswani N. 2008. IEEE Trans Signal Process 56:4583–97] proposed a new method known as mode tracking to improve the efficiency of the particle filter. When mode tracking, the state is split into two subspaces. One subspace is forecast using the particle filter, the other is treated so that its values are set equal to the mode of the marginal pdf. There are many ways to split the state. One hypothesis is that the best results should be obtained from the particle filter with mode tracking when we mode track the maximum number of unimodal dimensions. The aim of this paper is to test this hypothesis using the three dimensional stochastic Lorenz equations with direct observations. It is found that mode tracking the maximum number of unimodal dimensions does not always provide the best result. The best choice of states to mode track depends on the number of particles used and the accuracy and frequency of the observations.

Volume-based size distribution of accumulation and coarse particles (PM0.1–10) from cooking fume during oil heating

Particulate matter generated during the cooking process has been identified as one of the major problems of indoor air quality and indoor environmental health. Reliable assessment of exposure to cooking-generated particles requires accurate information of emission characteristics especially the size distribution. This study characterizes the volume/mass-based size distribution of the fume particles at the oil-heating stage for the typical Chinese-style cooking in a laboratory kitchen. A laser-diffraction size analyzer is applied to measure the volume frequency of fume particles ranged from 0.1 to 10 μm, which contribute to most mass proportion in PM2.5 and PM10. Measurements show that particle emissions have little dependence on the types of vegetable oil used but have a close relationship with the heating temperature. It is found that volume frequency of fume particles in the range of 1.0–4.0 μm accounts for nearly 100% of PM0.1–10 with the mode diameter 2.7 μm, median diameter 2.6 μm, Sauter mean diameter 3.0 μm, DeBroukere mean diameter 3.2 μm, and distribution span 0.48. Such information on emission characteristics obtained in this study can be possibly used to improve the assessment of indoor air quality due to PM0.1–10 in the kitchen and residential flat.

Intercomparison and evaluation of global aerosol microphysical properties among AeroCom models of a range of complexity

Many of the next generation of global climate models will include aerosol schemes which explicitly simulate the microphysical processes that determine the particle size distribution. These models enable aerosol optical properties and cloud condensation nuclei (CCN) concentrations to be determined by fundamental aerosol processes, which should lead to a more physically based simulation of aerosol direct and indirect radiative forcings. This study examines the global variation in particle size distribution simulated by 12 global aerosol microphysics models to quantify model diversity and to identify any common biases against observations. Evaluation against size distribution measurements from a new European network of aerosol supersites shows that the mean model agrees quite well with the observations at many sites on the annual mean, but there are some seasonal biases common to many sites. In particular, at many of these European sites, the accumulation mode number concentration is biased low during winter and Aitken mode concentrations tend to be overestimated in winter and underestimated in summer. At high northern latitudes, the models strongly underpredict Aitken and accumulation particle concentrations compared to the measurements, consistent with previous studies that have highlighted the poor performance of global aerosol models in the Arctic. In the marine boundary layer, the models capture the observed meridional variation in the size distribution, which is dominated by the Aitken mode at high latitudes, with an increasing concentration of accumulation particles with decreasing latitude. Considering vertical profiles, the models reproduce the observed peak in total particle concentrations in the upper troposphere due to new particle formation, although modelled peak concentrations tend to be biased high over Europe. Overall, the multi-model-mean data set simulates the global variation of the particle size distribution with a good degree of skill, suggesting that most of the individual global aerosol microphysics models are performing well, although the large model diversity indicates that some models are in poor agreement with the observations. Further work is required to better constrain size-resolved primary and secondary particle number sources, and an improved understanding of nucleation and growth (e.g. the role of nitrate and secondary organics) will improve the fidelity of simulated particle size distributions.

The Pierre Auger Observatory scaler mode for the study of solar activity modulation of galactic cosmic rays

Since data-taking began in January 2004, the Pierre Auger Observatory has been recording the count rates of low energy secondary cosmic ray particles for the self-calibration of the ground detectors of its surface detector array. After correcting for atmospheric effects, modulations of galactic cosmic rays due to solar activity and transient events are observed. Temporal variations related with the activity of the heliosphere can be determined with high accuracy due to the high total count rates. In this study, the available data are presented together with an analysis focused on the observation of Forbush decreases, where a strong correlation with neutron monitor data is found.

Degradation and adsorption of AZO RR239 dye in aqueous solution by nanoscale zerovalent iron particles immobilized on sawdust

Carra sawdust pretrated with formaldehyde was used to adsorb RR239 (reactive azo dye) at varying pH and zerovalent iron (ZVI) dosage. Modeling of kinetic results shows that sorption process is best described by the pseudo-second-order model. Batch experiments suggest that the decolorization efficiency was strongly enhanced with the presence of ZVI and low solution pH. The kinetics of dye sorption by mixed sorbent (5 g of sawdust and 180 mg of ZVI) at pH 2.0 was rapid, reaching more than 90% of the total discoloration in three minutes.

Colloidal particles: Spherical yttrium iron garnet

The purpose of this work is to obtain spherical particles YIG from micrometric to nanometric scales. The spherical particles were obtained from cation hydrolysis in acid medium by adding urea or ammonia in order to carry out a homogeneous nucleation process up to 90 degrees C. Different composition and morphology were achieved by changing reactant concentrations, precipitation agent and stabilizing agent. X-ray diffractometry, electrophoretic mobility, transmission and scanning electron microscopies were carried out on these particles to investigate the phase identification, mobility, morphology and particle size. Crystalline YIG, with spherical characteristics, was obtained. The surface potential presented different characteristics for different dispersion media.

Crystal nucleation kinetics of a metastable phase on cordierite glass surfaces

The crystal nucleation rates of a metastable phase (chi) on the surface of a near stoichiometric cordierite glass were determined for temperatures between 839 and 910 degrees C (T-g similar to 800 degrees C). The surface nucleation kinetics of that phase on our glass, as well as on a stoichiometric glass (2 MgO-2Al(2)O(3)-5SiO(2)) studied by other authors, were analysed in terms of the classical nucleation theory; for the first time. It was shown that the effective interfacial energy for surface nucleation is substantially lower than that for homogeneous volume nucleation in silicate glasses, vindicating the assumption of heterogeneous nucleation on free glass surfaces. The average wetting angle between the nucleating crystals and the active solid particles was estimated to be around 46 degrees C. The pre-exponential constant was several orders of magnitude higher than the theoretical values as found for volume homogeneous nucleation in oxide glasses.