Finite-element discretization of 3D energy-transport equations for semiconductors

In this thesis a mathematical model was derived that describes the charge and energy transport in semiconductor devices like transistors. Moreover, numerical simulations of these physical processes are performed. In order to accomplish this, methods of theoretical physics, functional analysis, numerical mathematics and computer programming are applied. After an introduction to the status quo of semiconductor device simulation methods and a brief review of historical facts up to now, the attention is shifted to the construction of a model, which serves as the basis of the subsequent derivations in the thesis. Thereby the starting point is an important equation of the theory of dilute gases. From this equation the model equations are derived and specified by means of a series expansion method. This is done in a multi-stage derivation process, which is mainly taken from a scientific paper and which does not constitute the focus of this thesis. In the following phase we specify the mathematical setting and make precise the model assumptions. Thereby we make use of methods of functional analysis. Since the equations we deal with are coupled, we are concerned with a nonstandard problem. In contrary, the theory of scalar elliptic equations is established meanwhile. Subsequently, we are preoccupied with the numerical discretization of the equations. A special finite-element method is used for the discretization. This special approach has to be done in order to make the numerical results appropriate for practical application. By a series of transformations from the discrete model we derive a system of algebraic equations that are eligible for numerical evaluation. Using self-made computer programs we solve the equations to get approximate solutions. These programs are based on new and specialized iteration procedures that are developed and thoroughly tested within the frame of this research work. Due to their importance and their novel status, they are explained and demonstrated in detail. We compare these new iterations with a standard method that is complemented by a feature to fit in the current context. A further innovation is the computation of solutions in three-dimensional domains, which are still rare. Special attention is paid to applicability of the 3D simulation tools. The programs are designed to have justifiable working complexity. The simulation results of some models of contemporary semiconductor devices are shown and detailed comments on the results are given. Eventually, we make a prospect on future development and enhancements of the models and of the algorithms that we used.

La maiolica istoriata castellana. Modelli a stampa, evoluzione del gusto e delle richieste di mercato, dinamiche comerciali, fonti e documenti: aggiornamenti e nuove proposte di interpretazione.

La maiolica di Castelli d’Abruzzo si distingue per aspetti di forte originalità e per l’alta qualità dei manufatti realizzati. Le ricerche che qui vengono presentate sono state condotte su differenti aspetti della produzione ceramica di Castelli e sono rivolte a completare le conoscenze su alcuni aspetti specifici, cercando di superare la visione settoriale che ha caratterizzato talvolta gli studi sull’argomento. L’indagine è orientata a far emergere alcuni tratti distintivi della produzione in maiolica istoriata, un genere in cui le manifatture castellane guadagnarono un primato assoluto in Italia nel corso dei secoli XVII e XVIII.

Anwendung der geoelektrischen 3D-Tomographie für die Analyse thermisch induzierter Strömungen im Labor

Sowohl in der Natur als auch in der Industrie existieren thermisch induzierte Strömungen. Von Interesse für diese Forschungsarbeit sind dabei die Konvektionen im Erdmantel sowie in den Glasschmelzwannen. Der dort stattfindende Materialtransport resultiert aus Unterschieden in der Dichte, der Temperatur und der chemischen Konzentration innerhalb des konvektierenden Materials. Um das Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu verbessern, werden von zahlreichen Forschergruppen numerische Modellierungen durchgeführt. Die Verifikation der dafür verwendeten Algorithmen erfolgt meist über die Analyse von Laborexperimenten. Im Vordergrund dieser Forschungsarbeit steht die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Temperaturverteilung für die Untersuchung von thermisch induzierten Strömungen in einem Versuchsbecken. Eine direkte Temperaturmessung im Inneren des Versuchsmaterials bzw. der Glasschmelze beeinflusst allerdings das Strömungsverhalten. Deshalb wird die geodynamisch störungsfrei arbeitende Impedanztomographie verwendet. Die Grundlage dieser Methode bildet der erweiterte Arrhenius-Zusammenhang zwischen Temperatur und spezifischer elektrischer Leitfähigkeit. Während der Laborexperimente wird ein zähflüssiges Polyethylenglykol-Wasser-Gemisch in einem Becken von unten her erhitzt. Die auf diese Weise generierten Strömungen stellen unter Berücksichtigung der Skalierung ein Analogon sowohl zu dem Erdmantel als auch zu den Schmelzwannen dar. Über mehrere Elektroden, die an den Beckenwänden installiert sind, erfolgen die geoelektrischen Messungen. Nach der sich anschließenden dreidimensionalen Inversion der elektrischen Widerstände liegt das Modell mit der Verteilung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit im Inneren des Versuchsbeckens vor. Diese wird mittels der erweiterten Arrhenius-Formel in eine Temperaturverteilung umgerechnet. Zum Nachweis der Eignung dieser Methode für die nichtinvasive Bestimmung der dreidimensionalen Temperaturverteilung wurden mittels mehrerer Thermoelemente an den Beckenwänden zusätzlich direkte Temperaturmessungen durchgeführt und die Werte miteinander verglichen. Im Wesentlichen sind die Innentemperaturen gut rekonstruierbar, wobei die erreichte Messgenauigkeit von der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Gleichstromgeoelektrik abhängt.

3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

MongoDB: analisi e prototipazione su applicazioni di social business intelligence

L’ultimo decennio ha visto un radicale cambiamento del mercato informatico, con la nascita di un numero sempre maggiore di applicazioni rivolte all’interazione tra utenti. In particolar modo, l’avvento dei social network ha incrementato notevolmente le possibilità di creare e condividere contenuti sul web, generando volumi di dati sempre maggiori, nell’ordine di petabyte e superiori. La gestione di tali quantità di dati ha portato alla nascita di soluzioni non relazionali appositamente progettate, dette NoSQL. Lo scopo di questo documento è quello di illustrare come i sistemi NoSQL, nello specifico caso di MongoDB, cerchino di sopperire alle difficoltà d’utilizzo dei database relazionali in un contesto largamente distribuito. Effettuata l'analisi delle principali funzionalità messe a disposizione da MongoDB, si illustreranno le caratteristiche di un prototipo di applicazione appositamente progettato che sfrutti una capacità peculiare di MongoDB quale la ricerca full-text. In ultima analisi si fornirà uno studio delle prestazioni di tale soluzione in un ambiente basato su cluster, evidenziandone il guadagno prestazionale.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

Toward a 3D in vitro model based on decellularized thymus to maintain adult thymic ephitelial cells functionality

During my PhD,I have been develop an innovative technique to reproduce in vitro the 3D thymic microenvironment, to be used for growth and differentiation of thymocytes, and possible transplantation replacement in conditions of depressed thymic immune regulation. The work has been developed in the laboratory of Tissue Engineering at the University Hospital in Basel, Switzerland, under the tutorship of Prof.Ivan Martin. Since a number of studies have suggested that the 3D structure of the thymic microenvironment might play a key role in regulating the survival and functional competence of thymocytes, I’ve focused my effort on the isolation and purification of the extracellular matrix of the mouse thymus. Specifically, based on the assumption that TEC can favour the differentiation of pre-T lymphocytes, I’ve developed a specific decellularization protocol to obtain the intact, DNA-free extracellular matrix of the adult mouse thymus. Two different protocols satisfied the main characteristics of a decellularized matrix, according to qualitative and quantitative assays. In particular, the quantity of DNA was less than 10% in absolute value, no positive staining for cells was found and the 3D structure and composition of the ECM were maintained. In addition, I was able to prove that the decellularized matrixes were not cytotoxic for the cells themselves, and were able to increase expression of MHC II antigens compared to control cells grown in standard conditions. I was able to prove that TECs grow and proliferate up to ten days on top the decellularized matrix. After a complete characterization of the culture system, these innovative natural scaffolds could be used to improve the standard culture conditions of TEC, to study in vitro the action of different factors on their differentiation genes, and to test the ability of TECs to induce in vitro maturation of seeded T lymphocytes.

Effetto dell'analgesia epidurale sulla progressione della testa fetale valutata mediante ecografia 3D

Introduzione: L'analgesia epidurale è stata messa in correlazione con l'aumento della durata del secondo stadio del travaglio e del tasso di utilizzo della ventosa ostetrica. Diversi meccanismi sono stati ipotizzati, tra cui la riduzione di percezione della discesa fetale, della forza di spinta e dei riflessi che promuovono la progressione e rotazione della testa fetale nel canale del parto. Tali parametri sono solitamente valutati mediante esame clinico digitale, costantemente riportato essere poco accurato e riproducibile. Su queste basi l'uso dell'ecografia in travaglio, con introduzione di diversi parametri ecografici di valutazione della discesa della testa fetale, sono stati proposti per supportare la diagnosi clinica nel secondo stadio del travaglio. Scopi dello studio: studiare effetto dell’analgesia epidurale sulla progressione della testa fetale durante il II stadio del travaglio valutata mediante ecografia intrapartum. Materiali e metodi: una serie di pazienti nullipare a basso rischio a termine (37+0-42+0) sono state reclutate in modo prospettico nella sala parto del nostro Policlinico Universitario. In ciascuna di esse abbiamo acquisito un volume ecografico ogni 20 minuti dall’inizio della fase attiva del secondo stadio fino al parto ed una serie di parametri ecografici sono stati ricavati in un secondo tempo (angolo di progressione, distanza di progressione distanza testa sinfisi pubica e midline angle). Tutti questi parametri sono stati confrontati ad ogni intervallo di tempo nei due gruppi. Risultati: 71 pazienti totali, di cui 41 (57.7%) con analgesia epidurale. In 58 (81.7%) casi il parto è stato spontaneo, mentre in 8 (11.3%) e 5 (7.0%) casi rispettivamente si è ricorsi a ventosa ostetrica o taglio cesareo. I valori di tutti i parametri ecografici misurati sono risultati sovrapponibili nei due gruppi in tutti gli intervalli di misurazione. Conclusioni: la progressione della testa fetale valutata longitudinalmente mediante ecografia 3D non sembra differire significativamente nelle pazienti con o senza analgesia epidurale.

Game programming: Grafica 3d

Tesi riguardante la creazione di tutte le risorse grafiche necessarie ad un videogioco tridimensionale in prima persona con Blender e Unity3D. Gli argomenti trattati sono: prgettazione, 3D modeling, texturing e shading.

Integrazione di elementi sintetici in scene reali mediante Photoshop 3d e Maya

Lo scopo di questa tesi è dimostrare che è possibile integrare elementi sintetici in scene reali, producendo rendering realistici, avvalendosi di software come Autodesk Maya e Adobe Photoshop. Il progetto, infatti, consiste nella realizzazione di cinque immagini ottenute assemblando in fotografie reali, oggetti 3D, generati usando il software di modellazione Maya, con l’obiettivo di produrre immagini finali altamente fotorealistiche, per cui l’osservatore non riesce a distinguere se l’immagine è reale o sintetica.

Realizzazione di una visita interattiva del Museo Civico di Galeata (FC) tramite Maya e Unity 3d

Questa tesi è stata realizzata con l’obiettivo di fornire un metodo alternativo e innovativo per la divulgazione e l’apprendimento della storia, mediante la realizzazione di una visita virtuale al Museo Civico Mambrini di Galeata (FC), ottenuta facendo uso della Computer Grafica. La scelta del Museo Civico Mambrini di Galeata è stata dettata dalla possibilità di valorizzare il patrimonio storico-culturale di una vallata, quella del fiume Bidente, che dispone di una grande quantità di siti archeologici e edifici dalla grande importanza storica.

Prototipazione di un banco prova per la caratterizzazione di motori elettrici

Realizzazione di un banco prova per la valutazione di velocità di rotazione e trazione di un sistema binario composto da motore elettrico e elica.