Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Identification and in vitro production of Lactobacillus antagonists from women with or without bacterial vaginosis

Lactobacilli isolated from the vaginal tract of women with and without bacterial vaginosis (BV) were identified and characterized for the production of antagonists. Bacterial samples were isolated from healthy women (N = 16), from patients with clinical complaints but without BV (N = 30), and from patients with BV (N = 32). Identification was performed using amplified ribosomal DNA restriction analysis. Production of antagonistic compounds was evaluated by the double-layer diffusion technique using Gram-positive (N = 9) and Gram-negative bacteria (N = 6) as well as yeast (N = 5) as indicator strains. Of a total of 147 isolates, 133 were identified as pertaining to the genus Lactobacillus. Lactobacillus crispatus was the species most frequently recovered, followed by L. johnsonii and L. jensenii. Statistical analysis showed that L. crispatus was more frequent in individuals without BV (P < 0.05). A higher production of antagonists was noted in L. crispatus isolates from healthy women (P < 0.05). More acidic local pH and higher H2O2 production by isolated lactobacilli from healthy women suggest these mechanisms as the possible cause of this antagonism. In conclusion, a significant correlation was detected between the presence and antagonistic properties of certain species of Lactobacillus and the clinical status of the patients.

Photothermal deflection studies of GaAs epitaxial layers

Photothermal beam deflection studies were carried out with GaAs epitaxial double layers grown on semi-insulating GaAs substrates. The impurity densities in thin epitaxial layers were found to influence the effective thermal diffusivity of the entire structure.

Development of Electrochemical and Fluorescent Sensors

Chemical sensors have growing interest in the determination of food additives, which are creating toxicity and may cause serious health concern, drugs and metal ions. A chemical sensor can be defined as a device that transforms chemical information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal. The chemical information may be generated from a chemical reaction of the analyte or from a physical property of the system investigated. Two main steps involved in the functioning of a chemical sensor are recognition and transduction. Chemical sensors employ specific transduction techniques to yield analyte information. The most widely used techniques employed in chemical sensors are optical absorption, luminescence, redox potential etc. According to the operating principle of the transducer, chemical sensors may be classified as electrochemical sensors, optical sensors, mass sensitive sensors, heat sensitive sensors etc. Electrochemical sensors are devices that transform the effect of the electrochemical interaction between analyte and electrode into a useful signal. They are very widespread as they use simple instrumentation, very good sensitivity with wide linear concentration ranges, rapid analysis time and simultaneous determination of several analytes. These include voltammetric, potentiometric and amperometric sensors. Fluorescence sensing of chemical and biochemical analytes is an active area of research. Any phenomenon that results in a change of fluorescence intensity, anisotropy or lifetime can be used for sensing. The fluorophores are mixed with the analyte solution and excited at its corresponding wavelength. The change in fluorescence intensity (enhancement or quenching) is directly related to the concentration of the analyte. Fluorescence quenching refers to any process that decreases the fluorescence intensity of a sample. A variety of molecular rearrangements, energy transfer, ground-state complex formation and collisional quenching. Generally, fluorescence quenching can occur by two different mechanisms, dynamic quenching and static quenching. The thesis presents the development of voltammetric and fluorescent sensors for the analysis of pharmaceuticals, food additives metal ions. The developed sensors were successfully applied for the determination of analytes in real samples. Chemical sensors have multidisciplinary applications. The development and application of voltammetric and optical sensors continue to be an exciting and expanding area of research in analytical chemistry. The synthesis of biocompatible fluorophores and their use in clinical analysis, and the development of disposable sensors for clinical analysis is still a challenging task. The ability to make sensitive and selective measurements and the requirement of less expensive equipment make electrochemical and fluorescence based sensors attractive.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Numerical Simulation of Electroosmotic Flow with Step Change in Zeta Potential

Electroosmotic flow is a convenient mechanism for transporting polar fluid in a microfluidic device. The flow is generated through the application of an external electric field that acts on the free charges that exists in a thin Debye layer at the channel walls. The charge on the wall is due to the chemistry of the solid-fluid interface, and it can vary along the channel, e.g. due to modification of the wall. This investigation focuses on the simulation of the electroosmotic flow (EOF) profile in a cylindrical microchannel with step change in zeta potential. The modified Navier-Stoke equation governing the velocity field and a non-linear two-dimensional Poisson-Boltzmann equation governing the electrical double-layer (EDL) field distribution are solved numerically using finite control-volume method. Continuities of flow rate and electric current are enforced resulting in a non-uniform electrical field and pressure gradient distribution along the channel. The resulting parabolic velocity distribution at the junction of the step change in zeta potential, which is more typical of a pressure-driven velocity flow profile, is obtained.

Seguimiento de áreas cruentas cubiertas con queratinocitos autólogos cultivados en suero autólogo: Estudio multicéntrico en Bogotá

En 2009 se presento la estandarización de cultivos de queratinocitos autólogos cultivados en suero autólogo. En este estudio los autores describen la efectividad de estos parches de regeneración de piel, para la cobertura de áreas cruentas con indicación de injerto de piel parcial. El porcentaje de epitelización del área cruenta fue el punto principal. Métodos: 47 pacientes fueron incluidos consecutivamente, equivalentes a 78 áreas cruentas. Las áreas fueron estratificadas según la profundidad: grupo 1:IIA (n=8) grupo 2: IIB (n=39); grupo 3,III (n=24) y grupo 4, etiología diferente: Otras (n=7). Todas las áreas fueron tratadas con injertos de queratinocitos autólogos cultivados en suero autólogo y se realizo registro fotográfico y del porcentaje de epitelización al día 5, 7, 15 y 30. Resultados: La efectividad de los injertos de queratinocitos autólogos es de 53.16% ± 46.46%. El porcentaje de epitelización es mayor para el grupo 1 (100%) y grupo 2 (62.79%) que para el grupo 3 (27.57%) y el grupo 4 (33.86%). Se encontró relación entre la interacción de las medianas del porcentaje de epitelización entre área corporal y grado de quemadura (p<0.001 KW) siendo mayor para el grupo 1 en todas las áreas, grupo 2 en cara, grupo 3 en tronco y grupo 4 en cara; y el menor porcentaje de epitelización en el grupo 3 y grupo 4 de las áreas ubicadas tronco. Conclusión: Los injertos de queratinocitos autólogos cultivados en suero autólogo son un método de cobertura eficaz para áreas cruentas producidas por quemaduras IIA y IIB independientemente del tamaño y la localización , y para las áreas cruentas pequeñas (<9cm2) de etiología diferente o grado III de profundidad. Palabras Clave: Cultivo queratinocitos, cobertura áreas cruentas, efectividad.

Condition number estimates for combined potential boundary integral operators in acoustic scattering

We study the classical combined field integral equation formulations for time-harmonic acoustic scattering by a sound soft bounded obstacle, namely the indirect formulation due to Brakhage-Werner/Leis/Panic, and the direct formulation associated with the names of Burton and Miller. We obtain lower and upper bounds on the condition numbers for these formulations, emphasising dependence on the frequency, the geometry of the scatterer, and the coupling parameter. Of independent interest we also obtain upper and lower bounds on the norms of two oscillatory integral operators, namely the classical acoustic single- and double-layer potential operators.

A well-posed integral equation formulation for three-dimensional rough surface scattering

We consider the problem of scattering of time-harmonic acoustic waves by an unbounded sound-soft rough surface. Recently, a Brakhage Werner type integral equation formulation of this problem has been proposed, based on an ansatz as a combined single- and double-layer potential, but replacing the usual fundamental solution of the Helmholtz equation with an appropriate half-space Green's function. Moreover, it has been shown in the three-dimensional case that this integral equation is uniquely solvable in the space L-2 (Gamma) when the scattering surface G does not differ too much from a plane. In this paper, we show that this integral equation is uniquely solvable with no restriction on the surface elevation or slope. Moreover, we construct explicit bounds on the inverse of the associated boundary integral operator, as a function of the wave number, the parameter coupling the single- and double-layer potentials, and the maximum surface slope. These bounds show that the norm of the inverse operator is bounded uniformly in the wave number, kappa, for kappa > 0, if the coupling parameter h is chosen proportional to the wave number. In the case when G is a plane, we show that the choice eta = kappa/2 is nearly optimal in terms of minimizing the condition number.

Acoustic scattering by mildly rough unbounded surfaces in three dimensions

For a nonlocally perturbed half- space we consider the scattering of time-harmonic acoustic waves. A second kind boundary integral equation formulation is proposed for the sound-soft case, based on a standard ansatz as a combined single-and double-layer potential but replacing the usual fundamental solution of the Helmholtz equation with an appropriate half- space Green's function. Due to the unboundedness of the surface, the integral operators are noncompact. In contrast to the two-dimensional case, the integral operators are also strongly singular, due to the slow decay at infinity of the fundamental solution of the three-dimensional Helmholtz equation. In the case when the surface is sufficiently smooth ( Lyapunov) we show that the integral operators are nevertheless bounded as operators on L-2(Gamma) and on L-2(Gamma G) boolean AND BC(Gamma) and that the operators depend continuously in norm on the wave number and on G. We further show that for mild roughness, i.e., a surface G which does not differ too much from a plane, the boundary integral equation is uniquely solvable in the space L-2(Gamma) boolean AND BC(Gamma) and the scattering problem has a unique solution which satisfies a limiting absorption principle in the case of real wave number.

Adsorption of frog foam nest proteins at the air-water interface

The surfactant properties of aqueous protein mixtures ( ranaspumins) from the foam nests of the tropical frog Physalaemus pustulosus have been investigated by surface tension, two-photon excitation. uorescence microscopy, specular neutron reflection, and related biophysical techniques. Ranaspumins lower the surface tension of water more rapidly and more effectively than standard globular proteins under similar conditions. Two- photon excitation. uorescence microscopy of nest foams treated with fluorescent marker ( anilinonaphthalene sulfonic acid) shows partitioning of hydrophobic proteins into the air-water interface and allows imaging of the foam structure. The surface excess of the adsorbed protein layers, determined from measurements of neutron reflection from the surface of water utilizing H2O/D2O mixtures, shows a persistent increase of surface excess and layer thickness with bulk concentration. At the highest concentration studied ( 0.5 mg ml(-1)), the adsorbed layer is characterized by three distinct regions: a protruding top layer of similar to20 Angstrom, a middle layer of similar to30 Angstrom, and a more diffuse submerged layer projecting some 25 Angstrom into bulk solution. This suggests a model involving self-assembly of protein aggregates at the air-water interface in which initial foam formation is facilitated by specific surfactant proteins in the mixture, further stabilized by subsequent aggregation and cross-linking into a multilayer surface complex.

Condition number estimates for combined potential integral operators in acoustics and their boundary element discretisation

We consider the classical coupled, combined-field integral equation formulations for time-harmonic acoustic scattering by a sound soft bounded obstacle. In recent work, we have proved lower and upper bounds on the $L^2$ condition numbers for these formulations, and also on the norms of the classical acoustic single- and double-layer potential operators. These bounds to some extent make explicit the dependence of condition numbers on the wave number $k$, the geometry of the scatterer, and the coupling parameter. For example, with the usual choice of coupling parameter they show that, while the condition number grows like $k^{1/3}$ as $k\to\infty$, when the scatterer is a circle or sphere, it can grow as fast as $k^{7/5}$ for a class of `trapping' obstacles. In this paper we prove further bounds, sharpening and extending our previous results. In particular we show that there exist trapping obstacles for which the condition numbers grow as fast as $\exp(\gamma k)$, for some $\gamma>0$, as $k\to\infty$ through some sequence. This result depends on exponential localisation bounds on Laplace eigenfunctions in an ellipse that we prove in the appendix. We also clarify the correct choice of coupling parameter in 2D for low $k$. In the second part of the paper we focus on the boundary element discretisation of these operators. We discuss the extent to which the bounds on the continuous operators are also satisfied by their discrete counterparts and, via numerical experiments, we provide supporting evidence for some of the theoretical results, both quantitative and asymptotic, indicating further which of the upper and lower bounds may be sharper.

Interaction of polysaccharide-protein complex from Agaricus blazei with Langmuir and Langmuir-Blodgett films of phospholipids

The use of natural substances in health applications may be hampered by the difficulties in establishing the mechanisms of action, especially at molecular-level. The protein-polysaccharide complex extracted from the mushroom Agaricus blazei Murill, referred to as CAb, has been considered for treating various diseases with probable interaction with cell membranes. In this study, we investigate the interaction between CAb and a cell membrane model represented by a Langmuir monolayer of dimyristoyl phosphatidic acid (DMPA). CAb affects the structural properties of DMPA monolayers causing expansion and increasing compressibility. In addition, interaction with DMPA polar heads led to neutralization of the electrical double layer, yielding a zero surface potential at large areas per molecule. CAb remained at the interface even at high surface pressures, which allowed transfer of Langmuir-Blodgett (LB) films onto solid supports with the CAb-DMPA mixture. The mass transferred, according to quartz crystal microbalance (QCM) measurements, increased linearly with the number of deposited layers. With UV-vis absorption, fluorescence and FTIR spectroscopies, we confirmed that the LB films contain polysaccharides, proteins and DMPA. Therefore, the CAb biological action must be attributed not only to polysaccharides but also to proteins in the complex. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.