Atmospheric Pressure DC Plasma Processing of TIO2/PEDOT:PSS Nanocomposites

In this work we demonstrate the synthesis of a TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite material in aqueous solution through atmospheric pressure direct current (DC) plasma processing at room temperature. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced after microplasma processing, and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. We have observed increased TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite electrical conductivity due to microplasma processing. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are thought to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer bonding, which is expected to have a significant benefit in materials processing with inorganic nanoparticles for wide range of applications.

Supernovae and radio transients in M82

We present optical and near-infrared (NIR) photometry and NIR spectroscopy of SN 2004am, the only optically detected supernova (SN) in M82. These demonstrate that SN 2004am was a highly reddened Type II-P SN similar to the low-luminosity Type II-P events such as SNe 1997D and 2005cs. We show that SN 2004am was located coincident with the obscured super star cluster M82-L, and from the cluster age infer a progenitor mass of 12{^{+ 7}_{- 3}} M⊙. In addition to this, we present a high spatial resolution Gemini-North Telescope K-band adaptive optics image of the site of SN 2008iz and a second transient of uncertain nature, both detected so far only at radio wavelengths. Using image subtraction techniques together with archival data from the Hubble Space Telescope, we are able to recover a NIR transient source coincident with both objects. We find the likely extinction towards SN 2008iz to be not more than AV ˜ 10. The nature of the second transient remains elusive and we regard an extremely bright microquasar in M82 as the most plausible scenario.

Plasmid DNA damage following exposure to atmospheric pressure non-thermal plasma: kinetics and influence of oxygen admixture

The nature and kinetics of plasmid DNA damage after DNA exposure to a kHz-driven atmospheric pressure nonthermal plasma jet has been investigated. Both single-strand break (SSB) and double-strand break (DSB) processes are reported here. While SSB had a higher rate constant, DSB is recognized to be more significant in living systems, often resulting in loss of viability. In a helium-operated plasma jet, adding oxygen to the feed gas resulted in higher rates of DNA DSB, which increased linearly with increasing oxygen content, up to an optimum level of 0.75% oxygen, after which the DSB rate decreased slightly, indicating an essential role for reactive oxygen species in the rapid degradation of DNA.

Electron dynamics and frequency coupling in a radio-frequency capacitively biased planar coil inductively coupled plasma system

The electron dynamics in a planar coil inductively coupled plasma (ICP) system with a capacitively biased electrode is investigated using space and phase resolved optical emission spectroscopy. The two power source frequencies are exact multiple of each other and phase-locked. In this configuration, the system is investigated when the coil is operated in both E-mode and H-mode. The results show that in a phase synchronized RF biased ICP, the electrode bias power couples with the capacitive contribution of the coil, in both E-mode and H-modes, similar to dual-frequency capacitively coupled plasmas (2f-CCPs). It is also demonstrated that in H-mode, the phase between the electrode bias frequency and the ICP coil frequency influences the electron heating, similar to the electrical asymmetry effect in 2f-CCPs.

EARLY RADIO AND X-RAY OBSERVATIONS OF THE YOUNGEST NEARBY TYPE Ia SUPERNOVA PTF 11kly (SN 2011fe)

On 2011 August 24 (UT) the Palomar Transient Factory (PTF) discovered PTF11kly (SN 2011fe), the youngest and most nearby Type Ia supernova (SN Ia) in decades. We followed this event up in the radio (centimeter and millimeter bands) and X-ray bands, starting about a day after the estimated explosion time. We present our analysis of the radio and X-ray observations, yielding the tightest constraints yet placed on the pre-explosion mass-loss rate from the progenitor system of this supernova. We find a robust limit of from sensitive X-ray non-detections, as well as a similar limit from radio data, which depends, however, on assumptions about microphysical parameters. We discuss our results in the context of single-degenerate models for SNe Ia and find that our observations modestly disfavor symbiotic progenitor models involving a red giant donor, but cannot constrain systems accreting from main-sequence or sub-giant stars, including the popular supersoft channel. In view of the proximity of PTF11kly and the sensitivity of our prompt observations, we would have to wait for a long time (a decade or longer) in order to more meaningfully probe the circumstellar matter of SNe Ia.

Magnetospheric Structure and Atmospheric Joule Heating of Habitable Planets Orbiting M-dwarf Stars

We study the magnetospheric structure and the ionospheric Joule Heating of planets orbiting M-dwarf stars in the habitable zone using a set of magnetohydrodynamic models. The stellar wind solution is used to drive a model for the planetary magnetosphere, which is coupled with a model for the planetary ionosphere. Our simulations reveal that the space environment around close-in habitable planets is extreme, and the stellar wind plasma conditions change from sub- to super-Alfvénic along the planetary orbit. As a result, the magnetospheric structure changes dramatically with a bow shock forming in the super-Alfvénic sectors, while no bow shock forms in the sub-Alfvénic sectors. The planets reside most of the time in the sub-Alfvénic sectors with poor atmospheric protection. A significant amount of Joule Heating is provided at the top of the atmosphere as a result of the intense stellar wind. For the steady-state solution, the heating is about 0.1%-3% of the total incoming stellar irradiation, and it is enhanced by 50% for the time-dependent case. The significant Joule Heating obtained here should be considered in models for the atmospheres of habitable planets in terms of the thickness of the atmosphere, the top-side temperature and density, the boundary conditions for the atmospheric pressure, and particle radiation and transport. Here we assume constant ionospheric Pedersen conductance similar to that of the Earth. The conductance could be greater due to the intense EUV radiation leading to smaller heating rates. We plan to quantify the ionospheric conductance in future study.

Atmospheric cold plasma process for vegetable leaf decontamination: A feasibility study on radicchio (red chicory, Cichorium intybus L.)

Cold plasma is an emerging non-thermal processing technology that could be used for large scale leaf decontamination as an alternative to chlorine washing. In this study the effect of an atmospheric cold plasma apparatus (air DBD, 15 kV) on the safety, antioxidant activity and quality of radicchio (red chicory, Cichorium intybus L.) was investigated after 15 and 30 min of treatment (in afterglow at 70 mm from the discharge, at 22 °C and 60% of RH) and during storage. Escherichia coli O157:H7 inoculated on radicchio leaves was significantly reduced after 15 min cold plasma treatment (-1.35 log MPN/cm²). However, a 30 min plasma treatment was necessary to achieve a significant reduction of Listeria monocytogenes counts (-2.2 log CFU/cm²). Immediately after cold plasma treatment, no significant effects emerged in terms of antioxidant activity assessed by the ABTS and ORAC assay and external appearance of the radicchio leaves. Significant changes between treated and untreated radicchio leaves are quality defects based on the cold plasma treatment. Atmospheric cold plasma appears to be a promising processing technology for the decontamination of leafy vegetables although some criticalities, that emerged during storage, need to be considered in future studies.

An empirical polarization domain channel availability model for cognitive radio

In dynamic spectrum access networks, cognitive radio terminals monitor their spectral environment in order to detect and opportunistically access unoccupied frequency channels. The overall performance of such networks depends on the spectrum occupancy or availability patterns. Accurate knowledge on the channel availability enables optimum performance of such networks in terms of spectrum and energy efficiency. This work proposes a novel probabilistic channel availability model that can describe the channel availability in different polarizations for mobile cognitive radio terminals that are likely to change their orientation during their operation. A Gaussian approximation is used to model the empirical occupancy data that was obtained through a measurement campaign in the cellular frequency bands within a realistic operational scenario.

An HMM-based spectrum occupancy predictor for energy efficient cognitive radio

Spectrum sensing is the cornerstone of cognitive radio technology and refers to the process of obtaining awareness of the radio spectrum usage in order to detect the presence of other users. Spectrum sensing algorithms consume considerable energy and time. Prediction methods for inferring the channel occupancy of future time instants have been proposed as a means of improving performance in terms of energy and time consumption. This paper studies the performance of a hidden Markov model (HMM) spectrum occupancy predictor as well as the improvement in sensing energy and time consumption based on real occupancy data obtained in the 2.4GHz ISM band. Experimental results show that the HMM-based occupancy predictor outperforms a kth order Markov and a 1-nearest neighbour (1NN) predictor. Our study also suggests that by employing such a predictive scheme in spectrum sensing, an improvement of up to 66% can be achieved in the required sensing energy and time.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Global atmospheric energetics under present and future climate conditions

An evaluation of the global atmospheric energetics is presented in the framework of the basic decomposition into the zonal mean and eddy components, the zonal wavenumber decomposition, and the three-dimensional normal mode decomposition. An extension to the normal mode energetics formulation is also presented in the study, which enables the explicit evaluation of the conversion rate between available potential energy and kinetic energy along with their generation and dissipation rates, in both the zonal wavenumber and vertical mode domains. In addition, it has been proposed an extended energy cycle diagram describing the flow of energy among the zonal mean and eddy components, and also among the barotropic and baroclinic components. The energetics is first assessed for three reanalysis datasets and five state-ofthe- art climate models simulations representing the present climate conditions. It is performed a comparative analysis between the observationally based energetics and that based on the climate models' simulations. In order to appraise possible changes in the atmospheric energetics of a future climate scenario relative to that of the present climate conditions, the analysis is extended using the datasets simulated by the same five climate models for a future climate scenario experiment, as defined in the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Lichen biodiversity and biomonitoring of atmospheric pollution

Esta tese debruça-se sobre a biodiversidade de líquenes epífitos de pinhais dunares portugueses e sobre uso de líquenes como biomonitores de poluição atmosférica nesse habitat. A Mata Nacional das Dunas de Quiaios (Figueira da Foz) foi o ponto de partida dos estudos de biodiversidade efetuados nesta tese, mas alguns deles estenderam-se à maior parte da costa portuguesa. Como resultado, encontrou-se uma espécie nova para a ciência, Lecanora sorediomarginata Rodrigues, Terrón & Elix, epifítica sobre Pinus pinaster Aiton e P. pinea L, que se encontra distribuída na maior parte da costa. Esta espécie caracteriza-se morfologicamente por um talo crustáceo, de cor esbranquiçada a acinzentada ou esverdeada e que desenvolve sorálios a partir de pequenas verrugas marginais. Quimicamente caracteriza-se pela presença dos ácidos 3,5-dicloro-2'-O-metilnorestenospórico [maior], 3,5-dicloro-2 -O-metilanziaico [menor], 3,5-dicloro-2 -O-metilnordivaricático [menor], 5-cloro-2'-Ometilanziaico [traço] e úsnico [traço]; atranorina [menor] e cloroatranorina [menor]. É quimicamente semelhante a L. lividocinerea Bagl., com a qual apresenta afinidades filogenéticas com base na análise da sequência ITS do rDNA, e a L. sulphurella Hepp. Adicionalmente, espécies Chrysothrix flavovirens Tønsberg e Ochrolechia arborea (Kreyer) Almb, também se encontraram epifíticas sobre P. pinaster e P. pinea em vários pinhais ao longo da costa, representando novos registos para a flora liquénica portuguesa, bem como a espécie Lepraria elobata Tønsberg encontrada epifítica sobre P. pinaster apenas nas Dunas de Quiaios. Além disso, as espécies Hypotrachyna lividescens (Kurok.) Hale e H. pseudosinuosa (Asahina) Hale encontraram-se epifíticas sobre P. pinaster e outros forófitos nas Dunas de Quiaios, constituindo novos registos para a flora liquénica da Península Ibérica. Estes resultados põe em evidência a importância dos pinhais dunares como habitat para líquenes epífitos. Num estudo conduzido entre janeiro e julho de 2008 num pinhal dunar (Mata do Urso, Figueira da Foz), em cuja bordadura existe uma fábrica de celulose de papel, usaram-se transplantes de líquenes da espécie Flavoparmelia caperata (L.) Hale para avaliar a acumulação de trinta e três elementos putativamente emitidos por fábricas de papel e pasta de papel. A cinética da fluorescência da clorofila a foi estudada nos líquenes transplantados, através da análise dos parâmetros Fv/Fm, F0, Fm, qP, NPQ, PSII, e Exc, de forma a avaliar os efeitos decorrentes da acumulação de elementos na vitalidade dos líquenes. Pretendeu-se avaliar se a acumulação de elementos e a cinética da fluorescência da clorofila a variavam significativamente com o local e o tempo de exposição, tendo em consideração os resultados obtidos de transplantes colocados num local de referência (Dunas de Quiaios) durante o mesmo período de tempo. (Continua no verso) resumo A maior parte dos elementos — Al, B, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, S, Sb, Sc, Sr, Ti e V — ocorreu em concentrações significativamente mais elevadas nos transplantes expostos a 500 m da fábrica. Cerca de metade dos elementos estudados — B, Ba, Cr, Fe, Hg, Mg, Mn, Mo, Na, P, Pb, S, Sb e V — encontraram-se em concentrações significativamente mais elevadas nos transplantes expostos durante 180 dias. O solo foi identificado como uma fonte parcial da maior parte dos elementos. Os parâmetros Fv/Fm, Fm, PSII e Exc variaram significativamente com o local e/ou com o tempo de exposição. Observou-se um decréscimo significativo nos parâmetros Fv/Fm e Fm nos transplantes expostos a 500 e 1000 da fábrica, e também naqueles expostos durante 135 e 180 dias. Observou-se também um decréscimo significativo nos parâmetros PSII e Exc expostos durante 180 dias. Estes parâmetros correlacionaram-se de forma negativa e significativa com a acumulação de elementos: Fv/Fm: B, Ba, Co, Fe, Hg, Mg, Mn, Mo, N, P, S, Sb e Zn; Fm: Ba, Co, Hg, Mn, Mo, N, P, S, Sb e Zn; PSII: N e P; Exc: Mn, N, P e S. Estudos acerca da diversidade liquénica efetuados nos mesmos locais onde os transplantes foram colocados no local impactado, revelaram um menor valor de diversidade liquénica a 500 m da fábrica, que foi também o único local onde se encontraram espécies nitrófilas, o que se poderá dever à deposição de amónia e/ou poeiras. À semelhança de outros estudos, este trabalho confirma que os líquenes podem ser usados com sucesso em estudos de biomonitorização, mesmo em locais florestados. Além disso, traz também informações adicionais sobre como a acumulação de elementos pode influenciar a cinética da fluorescência da clorofila a em líquenes.

Study of the impact from nonlinear distortion in radio receiver architectures

A dissertação de doutoramento apresentada insere-se na área de electrónica não-linear de rádio-frequência (RF), UHF e microondas, tendo como principal campo de acção o estudo da distorção nãolinear em arquitecturas de recepção rádio, nomeadamente receptores de conversão directa como Power Meters, RFID (Radio Frequency IDentification) ou SDR (Software Define Radio) front-ends. Partindo de um estudo exaustivo das actuais arquitecturas de recepção de radiofrequência e revendo todos os conceitos teóricos relacionados com o desempenho não-linear dos sistemas/componentes electrónicos, foram desenvolvidos algoritmos matemáticos de modulação dos comportamentos não-lineares destas arquitecturas, simulados e testados em laboratório e propostas novas arquitecturas para a minimização ou cancelamento do impacto negativo de grandes interferidores em frequências vizinhas ao do sistema pretendido.