Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Misura di adesione di film polimerici su tappi di sughero

L’industria enologica oggigiorno propone numerosi modi per sigillare le bottiglie in alternativa ai tappi di sughero: tappi sintetici, tappi a vite, tappi a corona. Tuttavia si conosce la preferenza del consumatore medio per il sughero. I motivi sono molteplici: il sughero restituisce un'immagine di qualità del vino, esprime la tradizione ed è un materiale vivo e naturale, così come il vino. La naturalità del sughero però comporta dei rischi. Ad esempio si stima in 10 miliardi di dollari a livello mondiale la perdita economica dovuta al "sentore di tappo" o "cork taint". Recenti ricerche attribuiscono la responsabilità di tale difetto a composti chimici che migrano dal sughero al vino. Innovazione e tradizione si sono incontrate nell'ideazione della "tecnologia a membrana" o "membrane technology". Essa consiste nell'isolare le teste dei tappi con delle pellicole multistrato per non far diffondere nel vino alcun tipo di agente contaminante. In questo studio si espone in dettaglio un metodo per misurare l'adesione di film multistrato polimerici – strato esterno in polietilene – su tappi di sughero monopezzo. I tappi già rivestiti sono stati forniti da un'azienda del settore senza alcuna specifica di fabbricazione. In particolare la fase di trazione è stata ideata in analogia alla prova meccanica nota come pull-off test, usata nell'ambito dell'ingegneria edile. La bontà dell'adesione è indagata dal punto di vista della fisica dei materiali. Per le misurazioni si è utilizzato il Dynamic Mechanical Analyser (DMA), modello Q800, che si trova presso il laboratorio CIRI-MAM ospitato dal Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna.

Le equazioni di London-London e la quantizzazione del flusso magnetico nella superconduttività

Nella prima sezione di questo lavoro verranno esposti i ragionamenti fisici alla base della scrittura delle equazioni di London-London (1935), capaci di descrivere due importanti fenomeni riguardanti i materiali superconduttori quali la conduttività perfetta (resistenza nulla) e il diamagnetismo perfetto (Effetto Meissner). Verrà in essa infine brevemente descritto l'effetto della più generale conservazione del flusso magnetico nei superconduttori secondo il modello classico. Nella seconda sezione verrà esposto il ragionamento alla base della scrittura del Modello Quantistico Macroscopico, proposto da F.London nel 1948 per cercare di unificare la descrizione elettrodinamica classica della superconduttività con la meccanica quantistica, attraverso la scrittura di una funzione d'onda macroscopica capace di descrivere l'intero ensemble di portatori di carica superelettronici nel loro moto di conduzione.Esso permetterà di prevedere il fenomeno della quantizzazione del flusso magnetico intrappolato da una regione superconduttrice molteplicemente connessa.

Caratterizzazione microscopica di un transistor organico a effetto di campo

Negli ultimi anni uno dei settori di ricerca più interessanti in ambito tecnologico è sicuramente quello dell'elettronica organica. Lo sviluppo è spinto dai vantaggi che portano i dispositivi basati su materiali organici: bassi costi di produzione, facilità di fabbricazione su grandi aree e flessibilità. In questa tesi andiamo ad esaminare un transistor organico a effetto di campo (OFET) dal punto di vista macroscopico e microscopico, cercando di mettere in relazione le sue caratteristiche morfologiche ed elettriche. Il dispositivo sottoposto ai test è un OFET realizzato con TIPS-pentacene come semiconduttore. Dai risultati ottenuti si evince che le prestazioni elettriche del transistor sono fortemente legate alla microstruttura assunta dal materiale organico durante la deposizione. I primi due capitoli illustrano i principi di funzionamento degli OFET e la tecnica SPM (scanning probe microscopy) utilizzata per l'indagine microscopica. Il terzo e quarto capitolo descrivono rispettivamente gli apparati sperimentali e i risultati ottenuti dall'indagine su due aree diverse del dispositivo.

Caratterizzazione di film sottili di PEDOT:PSS

Negli ultimi 20 anni lo studio dei materiali organici dalle proprietà conduttive si è ampliato significativamente in un range di applicazioni molto vasto, che va dall'assemblaggio e costruzione di sistemi microelettronici avanzati ad applicazioni nel campo della bioelettronica e dell'ingegneria biomedica. Il presente lavoro rappresenta un punto d'incontro tra la fisica dei materiali e la ricerca in ambito biomedico e verte sullo studio delle particolari proprietà del poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato), o PEDOT:PSS, utilizzato nella preparazione di substrati per colture cellulari. Nel primo capitolo, di natura descrittiva, viene presentata una panoramica sui polimeri conduttivi e sulle loro caratteristiche principali con particolare approfondimento sul PEDOT:PSS e sulle sue applicazioni in ambito di ricerca. Il secondo capitolo contiene una descrizione approfondita della strumentazione e delle procedure utilizzati per la caratterizzazione dei campioni: sommariamente, questi comprendono misure di resistenza superficiale, di angolo di contatto e analisi morfologiche tramite AFM. Nel terzo e ultimo capitolo vengono esposte le tecniche di preparazione dei campioni e vengono mostrati e discussi i risultati delle misure eseguite sui campioni preparati.

Studio ed ottimizzazione di un sedile ammortizzato per auto sportiva

Ricerca di un sistema in grado di ridurre le vibrazioni trasmesse da un sedile di un'auto sportiva al guidatore, a causa delle asperità della strada, tramite lo sviluppo di un sistema di molle ad aria compressa, un sistema di regolazione del sedile e l'utilizzo di materiali innovativi ad elevato comfort.

Monitoraggio da dati in situ e telerilevati delle proprietà ottiche delle acque costiere dell’Adriatico a supporto della gestione costiera

Il presente lavoro è stato finalizzato all’analisi delle caratteristiche spettrali delle acque sia da dati in situ che telerilevati, attraverso l’implementazione di algoritmi semi-empirici e modelli bio-ottici dedicati. Inoltre prende in considerazione la correzione delle immagini ottiche per la mappatura delle concentrazioni del particellato sospeso per osservarne la distribuzione nelle acque costiere dell’Alto Adriatico. Le acque costiere sono caratterizzate da un'alta variabilità di proprietà ottiche che dipende dalle specifiche ambientali e stagionali, dai processi idrodinamici e dalle componenti che contiene. Lo studio della dinamica di dispersione del materiale totale sospeso, analizzato in questo lavoro, è stato possibile proprio grazie alle proprietà ottiche del particellato sospeso che, assieme alla clorofilla, è annoverato tra le sostanze otticamente attive. E’ stata svolta un’analisi pluriennale al fine di valutare quali fossero i diversi fattori che influenzano le dinamiche e la distribuzione del particellato sospeso presente nelle acque costiere nell’area prospiciente il delta del Po. La dinamica di dispersione del materiale sospeso in acque superficiali è modulato da variazioni spazio-temporali legate a diversi fattori, tra i quali sono stati considerati l’influenza dell’apporto fluviale del Po e il contributo derivante da diverse condizioni meteomarine. L’analisi effettuata e i risultati ottenuti sono un contributo preliminare a supporto di una gestione costiera, e può fornire una visuale d’insieme dei principali fattori che determinano la presenza di materiale sospeso nella regione costiera esaminata. Tali informazioni sono utili ad una gestione più informata al fine di ridurre gli impatti legati alla presenza di materiale sospeso nelle acque dell’area presa in esame. Le attività svolte sono incluse nel progetto CYAN IS WAS all’interno del programma esecutivo sulla cooperazione scientifica e tecnologica tra la Repubblica d’Italia e il Regno di Svezia per gli anni 2010-2013 e nell’ambito del progetto bandiera RITMARE.

Il progetto delle pavimentazioni stradali in materiale lapideo: il caso del centro storico di Modena

Le vibrazioni indotte dal traffico costituiscono un problema diffuso a causa degli effetti indesiderati che possono generare a lungo termine sulle opere architettoniche e sulle persone. L’intensità di questi fenomeni dipende da numerosi fattori tra cui le caratteristiche dei veicoli (massa, tipo di sospensioni), le relative velocità, la regolarità del piano viabile, le proprietà del terreno di sottofondo, la struttura degli edifici esposti e, soprattutto, le caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti la pavimentazione. Il problema è particolarmente sentito nei centri storici delle aree urbane per la presenza di edifici di grande valore artistico e per l’impiego di pavimentazioni di tipo lapideo, caratterizzate da numerose irregolarità di superficie: nasce, quindi, l’esigenza di individuare criteri progettuali e tecnologie costruttive mirati all’attenuazione di questi fenomeni indesiderati e nocivi. A tal fine la presente tesi prevede: • una prima parte, che descrive il centro storico di Modena a partire da un quadro generale storico-morfologico e di pianificazione urbanistica, con particolare attenzione alle tipologie di pavimentazioni stradali ad elementi lapidei e ai materiali tradizionalmente in uso nel territorio modenese; • una seconda parte, che presenta il caso di studio di Piazza Roma e il relativo progetto di recupero per la pedonalizzazione dello spazio pubblico tuttora in corso di realizzazione. Quest'ultimo è stato analizzato da un punto di vista non solo teorico-descrittivo, ma anche pratico-sperimentale, seguendo l’esecuzione dei lavori in cantiere in collaborazione con il Settore Manutenzione e Logistica del Comune di Modena; • una terza parte, relativa al problema delle vibrazioni indotte dal traffico sulle pavimentazioni stradali ad elementi lapidei. Il problema è stato affrontato in termini prima generali, descrivendo i meccanismi di generazione, propagazione e ricezione delle vibrazioni, gli effetti di danneggiamento che possono provocare sulle costruzioni circostanti, le più diffuse tipologie di intervento note in letteratura. Successivamente è stato considerato il caso di Piazza Roma e, partendo dalla rilevazione sperimentale del quadro vibratorio degli edifici adiacenti alla sede stradale, è stata valutata l’efficacia di alcune soluzioni progettuali ai fini della riqualificazione dello stato di fatto.

Il business del riciclo. La produzione e il riciclaggio dei principali materiali da imballaggio.

Nel mio elaborato, sono trattati i processi di produzione e riciclaggio dei principali materiali da imballaggio, con un'analisi sugli impatti ambientali ed economici dei processi.

Ingegnerizzazione di rampe in composito per surf-skate e skateboard

Descrizione di varie tipologie di stratificati di fibre per l'ottenimento di manufatti molto economici rispetto a soluzioni precedentemente realizzate.

Ottiche adattive per grandi telescopi

La rituale ciclicità del cielo ed il mistero degli eventi che in esso accadono hanno portato tutte le popolazioni della Terra ad osservarlo e studiarlo fin dai tempi più remoti. È solo con l'avvento del telescopio però, che si viene a conoscenza di una gran moltitudine di oggetti celesti. I primi strumenti ottici in uso erano telescopi rifrattori. Questi presentavano un problema: l’aberrazione cromatica, che oggi sappiamo può essere parzialmente risolta utilizzando obiettivi a doppietto o tripletto acromatico. All’epoca per ovviare il problema, Newton, decise di utilizzare un sistema di specchi curvi e nel 1668 costruì il primo telescopio riflettore. L’era dei grandi telescopi riflettori iniziò nel 18° secolo. Uno dei più grandi telescopi costruiti all’epoca aveva una superficie ottica di circa 122 cm di diametro. Nel creare telescopi di dimensioni maggiori, ci si imbatte in vari problemi. La soluzione adottata nella costruzione di grandi telescopi fino agli anni '80, fu quella di costruire un imponente blocco monolitico come specchio primario. Questo portò alla costruzione di enormi e pesanti telescopi che si dovevano muovere con alta precisione. Spinti al limite delle capacità progettuali e costruttive dell'epoca, nacque un nuovo concetto costruttivo dei telescopi. Si passò da uno strumento passivo ad un sistema attivo, in cui la qualità dell'ottica era ottenuta da un controllo elettronico di strutture deformabili. Con l’ottica attiva fu possibile costruire telescopi di dimensioni sempre maggiori. Tuttavia ci si imbatte in un ulteriore problema: la qualità dell’immagine è degradata dalla turbolenza atmosferica. In questo trattato mi propongo di descrivere una recente tecnica di correzione per rimuovere le distorsioni del fronte d'onda causate dalla turbolenza: l’ottica adattiva.

La terminologia al servizio dell'internazionalizzazione d'impresa: il caso di Pieri s.r.l. nel settore del confezionamento pallet

Il presente lavoro si inserisce nell’ambito del progetto Language Toolkit, portato avanti dalla Camera di Commercio di Forlì-Cesena e dalla Scuola di Lingue, Letterature, Traduzione e Interpretazione di Forlì. Il progetto coinvolge gli studenti della Scuola e le piccole-medie aziende del territorio provinciale e ha due obiettivi principali: creare occasioni di contatto tra il mondo accademico e quello professionale e favorire l’internazionalizzazione delle aziende del territorio. L’azienda con cui si è collaborato è la Pieri s.r.l. di Pievesestina di Cesena, attiva nel settore di confezionamento e movimentazione di carichi pallettizzati. Ci si è occupati principalmente di sistematizzare la terminologia aziendale in ottica trilingue (italiano - inglese - francese), partendo dall’analisi della documentazione aziendale. Sono stati individuati due gruppi di destinatari: i dipendenti dell’azienda e i traduttori esterni a cui essa ricorre saltuariamente. Viste le esigenze molto diverse dei due gruppi, sono stati elaborati due termbase con caratteristiche distinte, volte a renderli massimamente funzionali rispetto agli scopi. Dopo un breve inquadramento della situazione di partenza focalizzato sul progetto, l’azienda e i materiali di lavoro (capitolo 1), sono state fornite le basi teoriche (capitolo 2) che hanno guidato l’attività pratica di documentazione e di estrazione terminologica (capitolo 3). Sono stati presentati i due database terminologici costruiti, motivando le scelte compiute per differenziare le schede terminologiche in funzione dei destinatari (capitolo 4). Infine, si è tentato di valutare le risorse costruite attraverso la loro applicazione pratica in due attività: l’analisi della versione francese del manuale di istruzioni di una delle macchine Pieri e la traduzione verso il francese di alcune offerte commerciali, svolta utilizzando il programma di traduzione assistita SDL Trados Studio (capitolo 5).

Rivelatori a stato solido per raggi X a base di pentacene

I rivelatori a stato solido per raggi X hanno applicazioni in diversi ambiti, in particolare sono ampiamente utilizzati in ambito medico, in ambito industriale e come dispositivi per la sicurezza. Essendo molto diffusi nella nostra quotidianità si è sempre alla ricerca di nuovi materiali e di nuove tecniche di fabbricazione in grado di ridurne i costi di produzione. Le ricerche attuali sono incentrate sullo studio di nuovi materiali sensibili ai raggi X, l'attenzione è particolarmente diretta ai semiconduttori organici. Questi materiali risultano molto interessanti in quanto sono solubili in molti solventi, tale caratteristica permette lo sviluppo di nuove tecniche di fabbricazione a basso costo per rivelatori di grandi aree. Una delle tecniche di maggiore interesse è la stampa a inchiostro su substrati flessibili e trasparenti. In questa tesi si analizzeranno le proprietà elettriche, in particolare la variazione del segnale di corrente in seguito all'irraggiamento da raggi X, di alcuni campioni costituiti da TIPS-pentacene. Ci si soffermerà in particolare sui metodi con cui tali cristalli sono stati deposti quali inkjet e drop-cast.

Studio mediante magnetometro moke di film sottili di manganite per applicazioni in spintronica.

In questo lavoro di tesi è stata studiata l'anisotropia magnetica di film sottili epitassiali di La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), cresciuti con la tecnica Channel Spark Ablation su substrati monocristallini di SrTiO3 (001). L'interesse nei confronti di questi materiali nasce dal fatto che, grazie alla loro proprietà di half-metallicity, sono usati come iniettori di spin in dispositivi per applicazioni in spintronica, l'elettronica che considera elemento attivo per l'informazione non solo la carica elettrica ma anche lo spin dei portatori. Un tipico esempio di dispositivo spintronico è la valvola di spin (un dispositivo costituito da due film ferromagnetici metallici separati da uno strato conduttore o isolante) il cui stato resistivo dipende dall'orientazione relativa dei vettori magnetizzazione (parallela o antiparallela) degli strati ferromagnetici. E’ quindi di fondamentale importanza conoscere i meccanismi di magnetizzazione dei film che fungono da iniettori di spin. Questa indagine è stata effettuata misurando cicli di isteresi magnetica grazie ad un magnetometro MOKE (magneto-optical Kerr effect). Le misure di campo coercitivo e della magnetizzazione di rimanenza al variare dell'orientazione del campo rispetto al campione, permettono di identificare l'anisotropia, cioè gli assi di facile e difficile magnetizzazione. I risultati delle misure indicano una diversa anisotropia in funzione dello spessore del film: anisotropia biassiale (cioè con due assi facili di magnetizzazione) per film spessi 40 nm e uniassiale (un asse facile) per film spessi 20 nm. L'anisotropia biassiale viene associata allo strain che il substrato cristallino induce nel piano del film, mentre l'origine dell'uniassialità trova la giustificazione più probabile nella morfologia del substrato, in particolare nella presenza di terrazzamenti che potrebbero indurre una step-induced anisotropy. Il contributo di questi fattori di anisotropia alla magnetizzazione è stato studiato anche in temperatura.

Caratterizzazione di scintillatori organici per la rivelazione di neutroni termici

La rivelazione dei neutroni gioca un ruolo fondamentale sia nel campo della fisica nucleare di base che in diversi ambiti applicativi quali la produzione di energia in reattori a fissione, la sicurezza nazionale alle frontiere, la terapia e la diagnostica mediche. Negli anni passati la rivelazione di neutroni di bassa energia (nell'intervallo termico) si è basata principalmente sull'utilizzo di contatori proporzionali a $^3$He. Il grosso vantaggio di questi strumenti è la loro quasi totale inefficienza nella rivelazione di radiazione elettromagnetica, consentendo una caratterizzazione pulita dei flussi neutronici di bassa energia, anche quando, come spesso succede, sono accompagnati da un intenso fondo di raggi X e raggi gamma. La scarsa disponibilità di $^3$He ed il conseguente incremento del suo costo hanno stimolato, negli ultimi anni, numerosi programmi di sviluppo di nuovi rivelatori per neutroni termici in grado di rimpiazzare i troppo costosi contatori a $^3$He. In questo contesto si sono sviluppati da una parte il progetto ORIONE/HYDE dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che punta allo sviluppo di scintillatori organici a matrice siliconica in grado di rivelare sia neutroni veloci che termici, dall'altra l'applicazione di tali sviluppi ad attività connesse con il Progetto SPES nell'ambito del PRIN intitolato Sviluppo di Rivelatori e tecniche d'analisi per la sperimentazione con i fasci radioattivi dei Laboratori Nazionali dell'INFN, con particolare riferimento a SPES. All'interno di una matrice scintillante organica (ricca quindi di nuclei di Idrogeno e Carbonio) opportunamente drogata per favorire il processo di scintillazione, viene disperso un ulteriore dopante ad alta sezione d'urto di cattura neutronica (tipicamente $^{10}$B o $^6$Li). Questo scintillatore risulta sensibile alla radiazione neutronica veloce che viene rivelata tramite i processi di urto elastico ed il successivo rinculo dei nuclei che causa l'emissione di luce di scintillazione. Inoltre grazie alle grandi sezioni d'urto dei processi di cattura neutronica da parte del materiale dopante e la successiva emissione di particelle cariche anche la sensibilità ai neutroni di bassa energia (lenti e termici) viene garantita. La matrice utilizzata (polifenil-dimetil silossano) ha ottime proprietà meccaniche e, a differenza di altri materiali utilizzati per la realizzazione di scintillatori per neutroni, non risulta tossica o dannosa per l'ambiente. Inoltre il costo del materiale utilizzato è notevolmente competitivo rispetto alle alternative attualmente in commercio. In questo lavoro di tesi verranno caratterizzati alcuni di questi nuovi scintillatori drogati con $^6$Li. Verrà analizzata la loro risposta in termini di resa di luce quando esposti a flussi di particelle cariche e raggi gamma e a flussi neutronici di bassa energia. I risultati verranno paragonati a quelli ottenuti con uno scintillatore commerciale standard a matrice vetrosa.