Investigation of numerical atomic orbitals for first-principles calculations of the electronic and transport properties of silicon nanowire structures

This thesis is focused on the application of numerical atomic basis sets in studies of the structural, electronic and transport properties of silicon nanowire structures from first-principles within the framework of Density Functional Theory. First we critically examine the applied methodology and then offer predictions regarding the transport properties and realisation of silicon nanowire devices. The performance of numerical atomic orbitals is benchmarked against calculations performed with plane waves basis sets. After establishing the convergence of total energy and electronic structure calculations with increasing basis size we have shown that their quality greatly improves with the optimisation of the contraction for a fixed basis size. The double zeta polarised basis offers a reasonable approximation to study structural and electronic properties and transferability exists between various nanowire structures. This is most important to reduce the computational cost. The impact of basis sets on transport properties in silicon nanowires with oxygen and dopant impurities have also been studied. It is found that whilst transmission features quantitatively converge with increasing contraction there is a weaker dependence on basis set for the mean free path; the double zeta polarised basis offers a good compromise whereas the single zeta basis set yields qualitatively reasonable results. Studying the transport properties of nanowire-based transistor setups with p+-n-p+ and p+-i-p+ doping profiles it is shown that charge self-consistency affects the I-V characteristics more significantly than the basis set choice. It is predicted that such ultrascaled (3 nm length) transistors would show degraded performance due to relatively high source-drain tunnelling currents. Finally, it is shown the hole mobility of Si nanowires nominally doped with boron decreases monotonically with decreasing width at fixed doping density and increasing dopant concentration. Significant mobility variations are identified which can explain experimental observations.

Stereocomplexed poly(lactic acid)-poly(ethylene glycol) nanoparticles with dual-emissive boron dyes for tumor accumulation.

Responsive biomaterials play important roles in imaging, diagnostics, and therapeutics. Polymeric nanoparticles (NPs) containing hydrophobic and hydrophilic segments are one class of biomaterial utilized for these purposes. The incorporation of luminescent molecules into NPs adds optical imaging and sensing capability to these vectors. Here we report on the synthesis of dual-emissive, pegylated NPs with "stealth"-like properties, delivered intravenously (IV), for the study of tumor accumulation. The NPs were created by means of stereocomplexation using a methoxy-terminated polyethylene glycol and poly(D-lactide) (mPEG-PDLA) block copolymer combined with iodide-substituted difluoroboron dibenzoylmethane-poly(L-lactide) (BF2dbm(I)PLLA). Boron nanoparticles (BNPs) were fabricated in two different solvent compositions to study the effects on BNP size distribution. The physical and photoluminescent properties of the BNPs were studied in vitro over time to determine stability. Finally, preliminary in vivo results show that stereocomplexed BNPs injected IV are taken up by tumors, an important prerequisite to their use as hypoxia imaging agents in preclinical studies.

Rapid ratiometric determination of hemoglobin concentration using UV-VIS diffuse reflectance at isosbestic wavelengths.

We developed a ratiometric method capable of estimating total hemoglobin concentration from optically measured diffuse reflectance spectra. The three isosbestic wavelength ratio pairs that best correlated to total hemoglobin concentration independent of saturation and scattering were 545/390, 452/390, and 529/390 nm. These wavelength pairs were selected using forward Monte Carlo simulations which were used to extract hemoglobin concentration from experimental phantom measurements. Linear regression coefficients from the simulated data were directly applied to the phantom data, by calibrating for instrument throughput using a single phantom. Phantoms with variable scattering and hemoglobin saturation were tested with two different instruments, and the average percent errors between the expected and ratiometrically-extracted hemoglobin concentration were as low as 6.3%. A correlation of r = 0.88 between hemoglobin concentration extracted using the 529/390 nm isosbestic ratio and a scalable inverse Monte Carlo model was achieved for in vivo dysplastic cervical measurements (hemoglobin concentrations have been shown to be diagnostic for the detection of cervical pre-cancer by our group). These results indicate that use of such a simple ratiometric method has the potential to be used in clinical applications where tissue hemoglobin concentrations need to be rapidly quantified in vivo.

In situ concentration of semi-volatile aerosol using water-condensation technology

The effect of concentrating semi-volatile aerosols using a water-condensation technology was investigated using the Versatile Aerosol Concentration Enrichment System (VACES) and the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) during measurements of ambient aerosol in Pittsburgh, PA. It was found that the shape of the sulfate mass-weighed size distribution was approximately preserved during passage through the concentrator for all the experiments performed, with a mass enhancement factor of about 10-20 depending on the experiment. The size distributions of organics, ammonium and nitrate were preserved on a relatively clean day (sulfate concentration around 7μg/m3), while during more polluted conditions the concentration of these compounds, especially nitrate, was increased at small sizes after passage through the concentrator. The amount of the extra material, however, is rather small in these experiments: between 2.4% and 7.5% of the final concentrated PM mass is due to "artifact" condensation. An analysis of thermodynamic processes in the concentrator indicates that the extra particle material detected can be explained by redistribution of gas-phase material to the aerosol phase in the concentrator. The analysis shows that the condensation of extra material is expected to be larger for water-soluble semi-volatile material, such as nitrate, which agrees with the observations. The analysis also shows that artifact formation of nitrate will be more pronounced in ammonia-limited conditions and virtually undetectable in ammonia-rich conditions. © 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Environmental impacts of the coal ash spill in Kingston, Tennessee: an 18-month survey.

An 18 month investigation of the environmental impacts of the Tennessee Valley Authority (TVA) coal ash spill in Kingston, Tennessee combined with leaching experiments on the spilled TVA coal ash have revealed that leachable coal ash contaminants (LCACs), particularly arsenic, selenium, boron, strontium, and barium, have different effects on the quality of impacted environments. While LCACs levels in the downstream river water are relatively low and below the EPA drinking water and ecological thresholds, elevated levels were found in surface water with restricted water exchange and in pore water extracted from the river sediments downstream from the spill. The high concentration of arsenic (up to 2000 μg/L) is associated with some degree of anoxic conditions and predominance of the reduced arsenic species (arsenite) in the pore waters. Laboratory leaching simulations show that the pH and ash/water ratio control the LCACs' abundance and geochemical composition of the impacted water. These results have important implications for the prediction of the fate and migration of LCACs in the environment, particularly for the storage of coal combustion residues (CCRs) in holding ponds and landfills, and any potential CCRs effluents leakage into lakes, rivers, and other aquatic systems.

Analysis of the effect of yoga on selective attention and mental concentration in young adults

Gemstone Team Om

Direct and Indirect Effects of Dissolved Organic Matter Source and Concentration on Denitrification in Northern Florida Rivers

Using a natural gradient of dissolved organic carbon (DOC) source and concentration in rivers of northern Florida, we investigated how terrestrially-derived DOC affects denitrification rates in river sediments. Specifically, we examined if the higher concentrations of DOC in blackwater rivers stimulate denitrification, or whether such terrestrially-derived DOC supports lower denitrification rates because (1) it is less labile than DOC from aquatic primary production; whether (2) terrestrial DOC directly inhibits denitrification via biochemical mechanisms; and/or whether (3) terrestrial DOC indirectly inhibits denitrification via reduced light availability to-and thus DOC exudation by-aquatic primary producers. We differentiated among these mechanisms using laboratory denitrification assays that subjected river sediments to factorial amendments of NO3- and dextrose, humic acid dosing, and cross-incubations of sediments and water from different river sources. DOC from terrestrial sources neither depressed nor stimulated denitrification rates, indicating low lability of this DOC but no direct inhibition; humic acid additions similarly did not affect denitrification rates. However, responses to addition of labile C increased with long-term average DOC concentration, which supports the hypothesis that terrestrial DOC indirectly inhibits denitrification via decreased autochthonous production. Observed and future changes in DOC concentration may therefore reduce the ability of inland waterways to remove reactive nitrogen. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Boron and strontium isotopic characterization of coal combustion residuals: validation of new environmental tracers.

In the U.S., coal fired power plants produce over 136 million tons of coal combustion residuals (CCRs) annually. CCRs are enriched in toxic elements, and their leachates can have significant impacts on water quality. Here we report the boron and strontium isotopic ratios of leaching experiments on CCRs from a variety of coal sources (Appalachian, Illinois, and Powder River Basins). CCR leachates had a mostly negative δ(11)B, ranging from -17.6 to +6.3‰, and (87)Sr/(86)Sr ranging from 0.70975 to 0.71251. Additionally, we utilized these isotopic ratios for tracing CCR contaminants in different environments: (1) the 2008 Tennessee Valley Authority (TVA) coal ash spill affected waters; (2) CCR effluents from power plants in Tennessee and North Carolina; (3) lakes and rivers affected by CCR effluents in North Carolina; and (4) porewater extracted from sediments in lakes affected by CCRs. The boron isotopes measured in these environments had a distinctive negative δ(11)B signature relative to background waters. In contrast (87)Sr/(86)Sr ratios in CCRs were not always exclusively different from background, limiting their use as a CCR tracer. This investigation demonstrates the validity of the combined geochemical and isotopic approach as a unique and practical identification method for delineating and evaluating the environmental impact of CCRs.

Participación de la familia génica GPC sobre la concentración de proteínas y nutrientes en el grano y su relación con la senescencia foliar en plantas de trigo

La removilización de nutrientes al grano y la senescencia son procesos extremadamente interconectados en trigo que determinan la calidad nutricional y panadera. Mientras que el nitrógeno (N) afecta la concentración de proteínas en grano (CPG), en donde alta CPG generan productos panificables con una calidad superior, los micronutrientes como el hierro (Fe) y el Zinc (Zn) afectan la calidad nutricional. Por lo tanto, el mejoramiento de la calidad en trigo requiere un profundo entendimiento de las redes génicas que regulan y controlan la senescencia y la removilización de nutrientes al grano. El gen GPC-B1, proveniente del trigo silvestre Triticum turgidum var. diccocoides, pertenece a la familia de factores de transcripción NAC y es la primer fuente de variación para CPG y micronutrientes identificada en trigo. Los objetivos de esta tesis fueron: estudiar el efecto de la introgresión de GPC-B1 sobre la CPG, concentración de micro y macronutrientes y diferentes parámetros agronómicos en germoplasma argentino; profundizar, mediante análisis transcriptómicos y el uso de plantas mutantes para los genes GPC el entendimiento de la regulación génica que ocurre durante la senescencia y finalmente identificar nuevos genes de transporte de N, Fe y Zn al grano mediante genómica comparativa con arroz. Cuando GPC-B1 se introdujo en germoplasma de origen argentino la CPG se incrementó entre 3 a 8,11 g kg-1 a través de diferentes cultivares y ambientes. A pesar del efecto negativo del gen sobre el tamaño de granos y una aceleración en la senescencia, no se observaron diferencias significativas en rendimiento. El incremento en la CPG se explicó por una mayor proteólisis y eficiencia en el transporte de aminoácidos al grano. Cuando se analizó la concentración de nutrientes, se observaron incrementos consistentes en Fe. La combinación de análisis transcriptómicos y plantas mutantes permitió identificar 3888 genes diferencialmente expresados durante la senescencia y 340 genes modulados por la familia GPC. A su vez, se han identificado 21 genes relacionados con el transporte de N al grano y se han caracterizado nueve familias génicas relacionadas con el transporte de Fe y Zn al grano que pueden utilizarse en programas de mejoramiento para incrementar la calidad nutricional en trigo.

Deficiencias de fósforo y potasio en maíz : efectos sobre el área foliar, crecimiento y absorción de nutrientes

El manejo agronómico del fósforo (P) y del potasio (K) guarda similitudes, en gran medida por su baja movilidad en el suelo. Hay pocos estudios que aborden los procesos que se ven afectados en el cultivo de maíz (Zea mays L.) en situaciones de deficiencias de P, K o de ambos en conjunto. Para determinar los efectos de las deficiencias de estos nutrientes, se establecieron dos ensayos en cultivos de maíz en condiciones de campo, en estaciones de crecimiento consecutivas (2011-2012 y 2012-201393). Los tratamientos consistieron en combinaciones de distintos niveles de fertilización fosfórica y potásica. De manera contraria a lo hipotetizado, la deficiencia de P disminuyó el crecimiento temprano en el ciclo del cultivo, mientras que la deficiencia de K redujo el crecimiento hacia fines del ciclo. La deficiencia de P disminuyó la expansión foliar, con pocos efectos sobre la senescencia. Por el contrario, las deficiencias de K afectaron la senescencia marcadamente, con un menor efecto sobre la expansión foliar. Las deficiencias de P disminuyeron tanto la fracción de la radiación fotosintéticamente activa interceptada (FPAR) como la eficiencia en el uso de la radiación (EUR). En cambio las deficiencias de potasio solo afectaron la FPAR. El índice de cosecha no fue afectado por las deficiencias de P y K. Las deficiencias de P disminuyeron el número de granos en mayor magnitud que el peso de los mismos, mientras que las deficiencias de K afectaron de manera similar ambos co mponentes. Las deficiencias de P no modificaron las relaciones estequiométricas con K o su curva de dilución, y viceversa. Las deficiencias de P cambiaron la curva de dilución de nitrógeno, provocando disminuciones en la concentración de nitrógeno a la misma biomasa aérea total. La interacción entre los efectos de P y de K, sobre el rendimiento y otras variables, fue sinérgica, ya que la respuesta a la adición combinada de los dos nutrientes fue mayor que la suma de las respuestas individuales.

Fertilización foliar complementaria en cultivo de soja de primera

El uso continuo de los suelos desde hace décadas con una exportación permanente de nutrientes a través de los granos, y la escasa o nula reposición mineral implicó una disminución en la productividad principalmente en aquellos sitios con prolongada historia agrícola y ausencia de actividad ganadera. En los últimos años, el uso de cultivares de alto potencial de rendimiento y la fertilización con nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S) incrementaron los niveles de producción, y con ello la extracción de micronutrientes del suelo, sin que fueran repuestos por fertilización. Varios especialistas observaron deficiencia de algunos micronutrientes en suelos de la región pampeana y diferentes niveles de respuesta al agregado de estos microelementos vía foliar en diversos cultivos. Esta problemática nos movilizó a estudiar a la fertilización foliar como una técnica para proveer micronutrientes a los cultivos, en dosis y estadios fenológicos adecuados. Dada la importancia del cultivo de soja como motor de la economía nacional y teniendo en cuenta el incremento en la superficie sembrada por ser un cultivo rentable y de bajo riesgo empresarial, se ha decidido evaluar la respuesta que esta oleaginosa presenta a la fertilización foliar con micronutrientes en el estadio R3, utilizando dicha tecnología como un complemento de la fertilización de base. El estado R3 fue escogido dada su relevancia fisiológica: el cuajado de vainas se considera la fase inicial del período crítico en soja, y operativa: en los últimos años, se ha sugerido como el estado ideal para la aplicación de fungicidas, permitiendo así la aplicación conjunta con los fertilizantes foliares. El estudio se realizó en 10 lotes de productores del partido de Rojas, sobre suelos serie Rojas, Argiudoles típicos. Se comparó el rendimiento en grano de un tratamiento de 8 litros de fertilizante foliar FERTIDEG con un testigo sin fertilizar. El experimento se diseñó en bloques completos aleatorizados y los datos se analizaron con el método estadístico ANOVA. Se realizó la prueba de Fmáx de Hartley o prueba de homogeneidad de variancia, donde no se descartó ningún sitio experimental. Al analizar cada localidad en forma individual, se rechazó la hipótesis nula en la que los efectos de los tratamientos son todos iguales en el 70 por ciento de los casos y se la aceptó en el 30 por ciento restante. La aplicación de micronutrientes, junto a pequeños aportes de macronutrientes vía foliar mostró ser un complemento efectivo de la fertilización de base en soja, para incrementar los rendimientos de grano en forma significativa, con valores promedios al 10 por ciento en lotes con historia agrícola prolongada y ausencia de actividad ganadera.

Estimación del contenido de clorofila en hojas de orégano usando un Clorofilómetro portátil : relación con el espesor del mesófilo y edad foliar

p.77-84

Análisis foliar en plantas de maíz II : microelementos

p.31-38

Deficiencias de fósforo y potasio en maíz : efectos sobre el área foliar, crecimiento y absorción de nutrientes

El manejo agronómico del fósforo (P) y del potasio (K) guarda similitudes, en gran medida por su baja movilidad en el suelo. Hay pocos estudios que aborden los procesos que se ven afectados en el cultivo de maíz (Zea mays L.) en situaciones de deficiencias de P, K o de ambos en conjunto. Para determinar los efectos de las deficiencias de estos nutrientes, se establecieron dos ensayos en cultivos de maíz en condiciones de campo, en estaciones de crecimiento consecutivas (2011-2012 y 2012-201393). Los tratamientos consistieron en combinaciones de distintos niveles de fertilización fosfórica y potásica. De manera contraria a lo hipotetizado, la deficiencia de P disminuyó el crecimiento temprano en el ciclo del cultivo, mientras que la deficiencia de K redujo el crecimiento hacia fines del ciclo. La deficiencia de P disminuyó la expansión foliar, con pocos efectos sobre la senescencia. Por el contrario, las deficiencias de K afectaron la senescencia marcadamente, con un menor efecto sobre la expansión foliar. Las deficiencias de P disminuyeron tanto la fracción de la radiación fotosintéticamente activa interceptada (FPAR) como la eficiencia en el uso de la radiación (EUR). En cambio las deficiencias de potasio solo afectaron la FPAR. El índice de cosecha no fue afectado por las deficiencias de P y K. Las deficiencias de P disminuyeron el número de granos en mayor magnitud que el peso de los mismos, mientras que las deficiencias de K afectaron de manera similar ambos co mponentes. Las deficiencias de P no modificaron las relaciones estequiométricas con K o su curva de dilución, y viceversa. Las deficiencias de P cambiaron la curva de dilución de nitrógeno, provocando disminuciones en la concentración de nitrógeno a la misma biomasa aérea total. La interacción entre los efectos de P y de K, sobre el rendimiento y otras variables, fue sinérgica, ya que la respuesta a la adición combinada de los dos nutrientes fue mayor que la suma de las respuestas individuales.

Variación del índice de área foliar en alfalfa (Medicago sativa var. Ardiente) durante la sequía ocurrida en 1988 - 89

p.53-60