Applying concept mapping strategies to improve students’ lifelong learning in physical chemistry

Este artículo ofrece una reflexión sobre el papel de los mapas conceptuales en el actual escenario de la educación In the present paper, we carry out the application of concept mapping strategies to learning Physical Chemistry, in particular, of all aspect of Corrosion. This strategy is an alternative method to supplement examinations: it can show the teacher how much the students knew and how much they didn´t know; and the students can evaluate their own learning. Before giving tile matter on Corrosion, the teachers evaluated the previous knowledge of the students in the field and explained to the students how create the conceptual maps with Cmap tools. When the subject is finished, teachers are assessed the conceptual maps developed by students and therefore also the level of the students learning. Teachers verified that the concept mapping is quite suitable for complicated theorics as Corrosion and it is an appropriate tool for the consolidation of educational experiences and for improvement affective lifelong learning. By using this method we demonstrated that the set of concepts accumulated in the cognitive structure of every student in unique and every student has therefore arranged the concepts from top to bottom in the mapping field in different ways with different linking" phrases, although these are involved in the same learning task.

Towards concept identification using a knowledge-intensive approach

This paper presents a method for identifying concepts in microposts and classifying them into a predefined set of categories. The method relies on the DBpedia knowledge base to identify the types of the concepts detected in the messages. For those concepts that are not classified in the ontology we infer their types via the ontology properties which characterise the type.

Proof of concept of an imaging system demonstrator for PET applications with SiPM

A PET imaging system demonstrator based on LYSO crystal arrays coupled to SiPM matrices is under construction at the University and INFN of Pisa. Two SiPM matrices, composed of 8×8 SiPM pixels, and 1,5 mm pitch, have been coupled one to one to a LYSO crystals array and read out by a custom electronics system. front-end ASICs were used to read 8 channels of each matrix. Data from each front-end were multiplexed and sent to a DAQ board for the digital conversion; a motherboard collects the data and communicates with a host computer through a USB port for the storage and off-line data processing. In this paper we show the first preliminary tomographic image of a point-like radioactive source acquired with part of the two detection heads in time coincidence.

Concept of operations for ATM by managing uncertainty through multiple metering points

This paper presents an operational concept for Air Traffic Management, and in particular arrival management, in which aircraft are permitted to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. The proposed concept allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode and with arrival time not actively controlled. It will be demonstrated how the associated uncertainty in the time dimension of the trajectory can be managed through the application of multiple metering points strategically chosen along the trajectory. The proposed concept does not make assumptions on aircraft equipage (e.g. time of arrival control), but aims at handling mixed-equipage scenarios that most likely will remain far into the next decade and arguably beyond.

Proposal for the Conceptual Design of Aeronautical Final Assembly Lines Based on the Industrial Digital Mock-Up Concept

The design of a Final Assembly Line (FAL) is carry out in the product industrialization activity. The phase dealing with the definition of conceptual solutions is characterized by depending heavily on the personnel experience and being time-consuming. To enhance such process, it is proposed a development of a knowledge based software application to assist designers in the definition of scenarios and to generate conceptual FAL alternatives. Both the scenario and the generated FAL solution are part of the industrialization digital mock-up (IDMU). A commercial software application used in the aircraft programmes and supporting the IDMU concepts of: Product, Process and Resource; was selected to implement a software prototype. This communication presents the adopted methodological approach and the architecture of the developed application.

Voltage limitation analysis in strain-balanced InAs/GaAsN quantum dot solar cells applied to the intermediate band concept

Several attempts have been carried out to manufacture intermediate band solar cells (IBSC) by means of quantum dot (QD) superlattices. This novel photovoltaic concept allows the collection of a wider range of the sunlight spectrum in order to provide higher cell photocurrent while maintaining the open-circuit voltage (VOC) of the cell. In this work, we analyze InAs/GaAsN QD-IBSCs. In these cells, the dilute nitrogen in the barrier plays an important role for the strain-balance (SB) of the QD layer region that would otherwise create dislocations under the effect of the accumulated strain. The introduction of GaAsN SB layers allows increasing the light absorption in the QD region by multi-stacking more than 100 QD layers. The photo-generated current density (JL) versus VOC was measured under varied concentrated light intensity and temperature. We found that the VOC of the cell at 20 K is limited by the bandgap of the GaAsN barriers, which has important consequences regarding IBSC bandgap engineering that are also discussed in this work.

The ion beam shepherd: A new concept for asteroid deflection

A novel slow push asteroid deflection strategy has been recently proposed in which an Earth threatening asteroid can be deflected by exploiting the momentum transmitted by a collimated beam of quasi-neutral plasma impinging against the asteroid surface. The beam can be generated with state-of-the art ion engines from a hovering spacecraft with no need for physical attachment or gravitational interaction with the celestial body. The spacecraft, placed at a distance of a few asteroid diameters, would need an ion thruster pointed at the asteroid surface as well as a second propulsion system to compensate for the ion engine reaction and keep the distance between the asteroid and the shepherd satellite constant throughout the deflection phase. A comparison in terms of required spacecraft mass per total imparted deflection impulse shows that the method outperforms the gravity tractor concept by more than one order of magnitude for asteroids up to about 200 m diameter. The two methods would yield comparable performance for asteroids larger than about 2 km

Complejidad Esencial: Un argumento por la complementariedad entre ciencia y sensibilidad = Essential Complexity: An argument for complementarity between science and sensibility

Esta investigación recoge un cúmulo de intereses en torno a un modo de generar arquitectura muy específico: La producción de objetos con una forma subyacente no apriorística. Los conocimientos expuestos se apoyan en condiciones del pensamiento reciente que impulsan la ilusión por alimentar la fuente creativa de la arquitectura con otros campos del saber. Los tiempos del conocimiento animista sensible y el conocimiento objetivo de carácter científico son correlativos en la historia pero casi nunca han sido sincrónicos. Representa asimismo un intento por aunar los dos tipos de conocimiento retomando la inercia que ya se presentía a comienzos del siglo XX. Se trata por tanto, de un ensayo sobre la posible anulación de la contraposición entre estos dos mundos para pasar a una complementariedad entre ambos en una sola visión conjunta compartida. Como meta final de esta investigación se presenta el desarrollo de un sistema crítico de análisis para los objetos arquitectónicos que permita una diferenciación entre aquellos que responden a los problemas de manera completa y sincera y aquellos otros que esconden, bajo una superficie consensuada, la falta de un método resolutivo de la complejidad en el presente creativo. La Investigación observa tres grupos de conocimiento diferenciados agrupados en sus capítulos correspondientes: El primer capítulo versa sobre el Impulso Creador. En él se define la necesidad de crear un marco para el individuo creador, aquel que independientemente de las fuerzas sociales del momento presiente que existe algo más allá que está sin resolver. Denominamos aquí “creador rebelde” a un tipo de personaje reconocible a lo largo de la Historia como aquel capaz de reconocer los cambios que ese operan en su presente y que utiliza para descubrir lo nuevo y acercarse algo al origen creativo. En el momento actual ese tipo de personaje es el que intuye o ya ha intuido hace tiempo la existencia de una complejidad creciente no obviable en el pensamiento de este tiempo. El segundo capítulo desarrolla algunas Propiedades de Sistemas de actuación creativa. En él se muestra una investigación que desarrolla un marco de conocimientos científicos muy específicos de nuestro tiempo que la arquitectura, de momento, no ha absorbido ni refleja de manera directa en su manera de crear. Son temas de presencia casi ya mundana en la sociedad pero que se resisten a ser incluidos en los procesos creativos como parte de la conciencia. La mayoría de ellos hablan de precisión, órdenes invisibles, propiedades de la materia o la energía tratados de manera objetiva y apolítica. La meta final supone el acercamiento e incorporación de estos conceptos y propiedades a nuestro mundo sensible unificándolos indisociablemente bajo un solo punto de vista. El último capítulo versa sobre la Complejidad y su capacidad de reducción a lo esencial. Aquí se muestran, a modo de conclusiones, la introducción de varios conceptos para el desarrollo de un sistema crítico hacia la arquitectura de nuestro tiempo. Entre ellos, el de Complejidad Esencial, definido como aquella de carácter inevitable a la hora de responder la arquitectura a los problemas y solicitaciones crecientes a los que se enfrenta en el presente. La Tesis mantiene la importancia de informar sobre la imposibilidad en el estado actual de las cosas de responder de manera sincera con soluciones de carácter simplista y la necesidad, por tanto, de soluciones necesarias de carácter complejo. En este sentido se define asimismo el concepto de Forma Subyacente como herramienta crítica para poder evaluar la respuesta de cada arquitectura y poder tener un sistema y visión crítica sobre lo que es un objeto consistente frente a la situación a la que se enfrenta. Dicha forma subyacente se define como aquella manera de entender conjuntamente y de manera sincrónica aquello que percibimos de manera sensible inseparable de las fuerzas ocultas, creativas, tecnológicas, materiales y energéticas que sustentan la definición y entendimiento de cualquier objeto construido. ABSTRACT This research includes a cluster of interests around a specific way to generate architecture: The production of objects without an a priori underlying form. The knowledge presented is based on current conditions of thought promoting the illusion to feed the creative source of architecture with other fields of knowledge. The sensible animist knowledge and objective scientific knowledge are correlative in history but have rarely been synchronous. This research is also an attempt to combine both types of knowledge to regain the inertia already sensed in the early twentieth century. It is therefore an essay on the annulment of the opposition between these two worlds to move towards complementarities of both in a single shared vision. The ultimate goal of this research is to present the development of a critical analysis system for architectural objects that allows differentiation between those who respond to the problems sincerely and those who hide under an agreed appearance, the lack of a method for solving the complexity of the creative present. The research observes three distinct groups of knowledge contained in their respective chapters: The first chapter deals with the Creative Impulse. In it is defined the need to create a framework for the creative individual who, regardless of the current social forces, forebodes that there is something hidden beyond which is still unresolved. We define the "rebel creator" as a kind of person existing throughout history who is able to recognize the changes operating in its present and use them to discover something new and get closer to the origin of creation. At present, this type of character is the one who intuits the existence of a non obviable increasing complexity in society and thought. The second chapter presents some systems, and their properties, for creative performance. It describes the development of a framework composed of current scientific knowledge that architecture has not yet absorbed or reflected directly in her procedures. These are issues of common presence in society but are still reluctant to be included in the creative processes even if they already belong to the collective consciousness. Most of them talk about accuracy, invisible orders, properties of matter and energy, always treated from an objective and apolitical perspective. The ultimate goal pursues the approach and incorporation of these concepts and properties to the sensible world, inextricably unifying all under a single point of view. The last chapter deals with complexity and the ability to reduce it to the essentials. Here we show, as a conclusion, the introduction of several concepts to develop a critical approach to analyzing the architecture of our time. Among them, the concept of Essential Complexity, defined as one that inevitably arises when architecture responds to the increasing stresses that faces today. The thesis maintains the importance of reporting, in the present state of things, the impossibility to respond openly with simplistic solutions and, therefore, the need for solutions to complex character. In this sense, the concept of Underlying Form is defined as a critical tool to evaluate the response of each architecture and possess a critical system to clarify what is an consistent object facing a certain situation. The underlying form is then defined as a way to synchronously understand what we perceive sensitively inseparable from the hidden forces of creative, technological, material and energetic character that support the definition and understanding of any constructed object.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Historia de la protección del patrimonio arquitectónico en España. 1933-1985

El trabajo de investigación que presentamos tiene como principal objetivo, la recopilación, el registro, el análisis y la reflexión sobre una época, tan trascendental como poco estudiada desde el ámbito arquitectónico, como es el período comprendido entre las dos normas de mayor relevancia en relación a la protección del Patrimonio Histórico Español del último siglo. Nos referimos a la Ley sobre Defensa, Conservación y Acrecentamiento del Patrimonio Histórico Nacional de 13 de mayo de 1933 y la Ley 13/1985, de 25 de junio, del Patrimonio Histórico Español. A través de la investigación realizada, se pretende aportar una visión integral de esta etapa, desde el enfoque arquitectónico, fundamentando la misma en el desarrollo de pautas metodológicas, abordadas desde la recopilación exhaustiva del material bibliográfico y documental para su posterior análisis. A partir de esta fase inicial, se han identificado los nexos comunes entre los estudios existentes sobre el patrimonio monumental español previos a la Guerra Civil y las investigaciones dedicadas a la historia de las últimas décadas del siglo XX. De esta forma, se ha procurado trazar un “puente” documental, con el que trasponer virtualmente el vacío bibliográfico existente. Históricamente, la protección del patrimonio histórico edificado y urbano, ha preocupado y ocupado a multitud de profesionales que, desde disciplinas dispares, han emprendido la tarea ímproba de comprender y explicar cuáles han sido los avatares, históricos y legales, que han marcado su evolución. Tal preocupación ha generado una bibliografía ingente y diversa, desde la protección formal y precisa, sobre uno u otro material, pasando por el marco historiográfico de las tendencias conservacionistas y las teorías decimonónicas, las filigranas formadas por las cuantiosas normas promulgadas desde la Novísima Recopilación, hasta la incidencia del planeamiento urbano en la tutela del patrimonio, incluidas la trama de competencias y yuxtaposiciones administrativas. Documentos de toda índole y profundidad científica, que como mosaicos hispanomusulmanes, dibujan el panorama patrimonial en el que la criba de material resulta una tarea, en ocasiones, inextricable. El título de este documento, en sí mismo, circunscribe la materia que ha sido el objeto de análisis durante el proceso de investigación, el Patrimonio Arquitectónico Monumental. El eje o núcleo basal de estudio se sitúa en los bienes inmuebles, los edificados, que, a su vez, ostentan la declaración de Bien de Interés Cultural, y que, por ende, pertenecen al Patrimonio Histórico Español. La metodología de trabajo se ha desarrollado de forma concéntrica, desde aspectos generales de la protección del patrimonio monumental, como el marco legal que antecede a la promulgación de la Ley de 1933, y el estado previo de los bienes susceptibles de ser preservados. Reconocemos en el ámbito legislativo, el fundamento orgánico que regula y dirige la tutela del patrimonio histórico español y la acción conservadora, y que delimita el ámbito a partir del cual se condiciona el devenir de los bienes culturales. Del esquema de situación surgido del análisis previo, se han detectado los factores claves en la transición hacia la Ley de Patrimonio Histórico Español; la evolución conceptual del “Patrimonio”, como apreciación genérica, y el testimonio de este progreso a través de los valores históricos, artísticos y culturales. El presente documento de investigación, consta de una primera fase, correspondiente al Capítulo 1, que se ha desarrollado a partir, principalmente, de la ordenación jurídica que rige el Patrimonio Histórico Español, a través de leyes, decretos, órdenes y disposiciones anexas, complementado con el material bibliográfico dedicado a la revisión histórica del proceso legal de la protección del patrimonio histórico-artístico. Si bien no ha sido nuestro propósito realizar un estudio pormenorizado del volumen jurídico e histórico que precede a la Ley de 1933, y que da inicio al período de estudio de la presente investigación, sí lo ha sido centrarnos en la elaboración de un extracto de aquellos elementos de la doctrina de mayor relevancia y repercusión en la protección del patrimonio histórico-artístico y/o monumental español. A lo largo de este estudio hemos comprobado lo que algunos juristas ya habían planteado, acerca de la profunda dispersión, ramificación, y diversificación de esfuerzos, tanto en la legislación específica como en la urbanística. Esta disgregación se ha extendido al ámbito de las medidas de reconocimiento caracterizado por la elaboración de múltiples catálogos e inventarios, con desigual transcendencia, alcance y utilidad. El resultado ha sido una división de esfuerzos, desdibujando el objetivo y convirtiendo la acción del reconocimiento en múltiples empresas inconexas y de escasa trascendencia. Nuestra investigación avanza en el análisis de la protección del patrimonio, como concepto globalizador, con el desarrollo del Capítulo 2, en el que se incluye una serie de mecanismos directos e indirectos que, individualmente, suelen carecer de la fuerza efectiva que muchos de los monumentos o conjuntos monumentales requieren para sobrevivir al paso del tiempo y sus circunstancias. En primer lugar, en este segundo capítulo nos hemos centrado, específicamente, en el mecanismo regulado por la Ley del Patrimonio Histórico Español, y el régimen general de protección implementado a partir de su promulgación en 1985. En especial, consideraremos la declaración de Interés Cultural como grado máximo de protección y tutela de un bien, y su posterior inscripción en el Registro General correspondiente, dependiente del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. Este mecanismo representa el instrumento por antonomasia que condensa las facultades de tutela del Estado sobre un bien del que se considera poseedor y aglutinador de valores “culturales” —como cohesión de los valores históricos, artísticos, sociales, etc. — representativos de la idiosincrasia española, y sobre el cual no existen dudas sobre la necesidad de garantizar su permanencia a través de su conservación. En segunda instancia, hemos analizado el Planeamiento Urbanístico, como aglutinador de valores culturales contenidos en la ciudad y como contenedor de los efectos generados por el hombre a partir de su interacción con el medio en el que habita y se relaciona. En tercer término, hemos recopilado y estudiado la concepción de los catálogos, como noción genérica de protección. Desde hace siglos, este género ha estado definido como una herramienta capaz de intervenir en la protección del patrimonio histórico, aunque de una manera difícilmente cuantificable, mediante la identificación, enumeración y descripción de una tipología concreta de monumentos o grupos de ellos, contribuyendo al reconocimiento de los valores cualitativos contenidos en éstos. El tercer capítulo analiza el mecanismo directo de tutela que ejerce la Administración en el patrimonio monumental. La declaración de monumentalidad o de Bien de Interés Cultural y su inclusión en el Registro General de Protección. La protección teórica y la protección jurídica de un monumento, analizadas hasta el momento, resultan tan necesarias como pueriles si no van seguidas de su consumación. En el caso de este tipo de patrimonio monumental, toda acción que tenga como objeto resguardar los valores implícitos en un bien mueble o inmueble, y en su materia, implica el cumplimiento de la protección. Por último, el cuarto capítulo se convierte en el punto culminante, y por ende crucial, del proceso de protección del Patrimonio Cultural, el de la consumación de la intervención. La teoría, la crítica, la normativa y hasta las doctrinas más radicales en materia de protección del patrimonio cultural, carecen de sentido si no las suceden los hechos, la acción, en antítesis a la omisión o la desidia. De ello ha dado pruebas elocuentes la propia historia en multitud de ocasiones con la destrucción, por indolencia o desconocimiento, de importantes vestigios del patrimonio arquitectónico español. Por este motivo, y para ser consecuentes con nuestra tesis hemos recuperado, concentrado y analizado la documentación de obra de tres monumentos imprescindibles del patrimonio construido (la Catedral de Burgos, el Palacio-Castillo de la Aljafería en Zaragoza y la Muralla de Lugo). En ocasiones, al examinar retrospectivamente las intervenciones en monumentos de gran envergadura, física y cultural como catedrales o murallas, algunos investigadores han tenido la sospecha o prevención de que las actuaciones no han seguido un plan de actuación premeditado, sino que han sido el resultado de impulsos o arrebatos inconexos producto de la urgencia por remediar algún tipo de deterioro. En oposición a esto, y a través del estudio de las intervenciones llevadas a cabo en los tres monumentos mencionados, hemos podido corroborar que, a excepción de intervenciones de emergencia fruto de circunstancias puntuales, existe coherencia desde el proceso de análisis de situación de un bien a la designación de prioridades, que ha regido el proceso restaurador a lo largo de dos siglos. La evolución de las intervenciones realizadas en los monumentos analizados ha estado definida, además de por su complejidad, magnitud y singularidad constructiva, por el devenir de su estructura y su uso. En conclusión, la efectividad de la protección del patrimonio cultural español, radica en la concomitancia de múltiples aspectos, entre ellos: el cumplimiento acertado de las normas vigentes, específicas y accesorias; el conocimiento del bien y de sus valores históricos, artísticos, y culturales; su catalogación o inclusión en los inventarios correspondientes; el compromiso de los agentes e instituciones de los cuales depende; la planificación de las tareas necesarias que garanticen tanto la salvaguarda estructural como la conservación de sus valores; y la incorporación de un plan de seguimiento que permita detectar eventuales peligros que atenten contra su conservación. Pero, la situación óptima estaría dada por un sistema en el que estos mecanismos —regulaciones específicas y urbanísticas, Declaraciones de Bien de Interés Cultural, Catálogos e Inventarios, etc. — funcionaran, de forma parcial o total, como una maquinaria, donde cada pieza operara con independencia relativa, pero en sintonía con los demás engranajes. Hasta el momento, la realidad dista mucho de esta situación, convirtiendo esta convivencia en una utopía. Tanto los legisladores, como las autoridades y los técnicos involucrados, deben tener presente que, de ellos, de los parámetros asignados por la legislación, de la implementación de los instrumentos estipulados por ésta y de las decisiones tomadas por cada uno de los poderes directivos de los órganos competentes, dependerá el alcance y efectividad de la protección, ya que en cada vertiente existe, en mayor o menor medida, un porcentaje de interpretación y subjetividad. ABSTRACT The research that we present has as the main objective to collect, record, analyzed and reflection on a time, that was little studied from the architectural field. It is the period between the two laws of most relevance to the protection of Spanish Historical Heritage of the last century. We refer to the Law on the Protection and Conservation of National Heritage of 1933 and Law 16/1985 of Spanish Historical Heritage. Through this research, it aims to provide a comprehensive view of the stage from the architectural approach, basing it on the development of methodological guidelines. The investigation was initiated by the bibliography and documentary for further analysis. After this initial phase, we have identified the common links between existing studies on the Spanish architectural heritage prior to the Civil War and dedicated research into the history of the late twentieth century. Thus, we have tried to draw a documental bridge, with which virtually transpose the gap that has existed. Historically, professionals from diverse disciplines have been worried and busy of the protection of the built and urban heritage. They have undertaken the daunting task of understanding and explaining the historical and legal difficulties, which have marked its evolution. This concern has generated an enormous and diverse literature, from formal and precise protection, in the framework of conservation historiographical trends and nineteenth-century theories. Also, they have studied the impact of urban planning in the protection of heritage, including the competences and administrative juxtapositions. They have generated a lot of documents of all kinds and scientific depth. The title of this document, in itself, circumscribes the matter that has been analyzed during this research process, the Monumental Architectural Heritage. The basal studio is located in the historical buildings, which, in turn, hold the declaration of cultural interest, and thus belong to the Spanish Historical Heritage. The work methodology was developed concentrically from general aspects of the protection of monuments, such as the legal framework that predates the enactment of the 1933 Act, and the previous state of the monuments that should be preserved. We recognize in the legislative sphere, the organic base that regulates and directs the tutelage of Spanish heritage and conservative action. The situation scheme emerged from the previous analysis, and we detected the key factors in the transition to the Spanish Historical Heritage Act; the conceptual evolution of the Heritage as a generic assessment, and witness this progress through historical, artistic and cultural values. This research paper consists of a first phase, corresponding to Chapter 1, which has developed from the legal regulation governing the Spanish Historical Heritage, through laws, decrees, orders and related provisions, supplemented the bibliography dedicated to the historical review of the legal process of protecting historical and artistic heritage. While it was not our intention to conduct a detailed study of the legal and historical volume preceding the 1933 Act, and that started the study period of this investigation, yes he has been focusing on the production of an extract from those elements of the doctrine with greater relevance and impact on the protection of Spanish art-historical and / or architectural heritage. Throughout our study we have seen what some jurists had already raised, about the scattering, branching and diversification of efforts, both in specific law and in urban law. This disaggregation has been extended to the field of recognition measures characterized by the development of multiple catalogs and inventories, with varying significance, scope and usefulness. The result has been a division of efforts, blurring the objective and turning the action of the recognition in multiple attempts little consequence. Our research advances in the analysis of heritage protection, as globalization concept in the Chapter 2, which includes a number of direct and indirect mechanisms that individually, often lack the effective force that many of monuments have required to survive the test of time and circumstances. First, in this second chapter we focused specifically on the mechanism regulated by the Spanish Historical Heritage Act, and the general protection regime implemented since its enactment in 1985 . In particular, we consider the declaration of cultural interest as maximum protection and protection of cultural assets, and their subsequent entry in the relevant General Register under the Ministry of Education, Culture and Sports . This mechanism is the instrument par excellence that condenses the powers of state care about a cultural asset, and which represents the cohesion of the historical, artistic, social values , etc. Secondly, we analyzed the Urban Planning, as a unifying cultural value in the city and as a container for the effects caused by man from its interaction with the environment in which he lives and relates. Thirdly, we have collected and studied the origin of catalogs, as generic notion of protection. For centuries, this genre has been defined as a tool to intervene in the protection of historical heritage, although difficult to quantify, through the identification, enumeration and description of a particular typology of monuments, and that contributing to the recognition of qualitative values contained therein. The third chapter analyzes the direct mechanism of protection performed by the Administration in the monuments with the statement of Cultural asset and inclusion in the General Protection Register. The theoretical and legal protection of a monument is as necessary as puerile if they are not followed by intervention. For this type of architectural heritage, any action which has the aim to safeguard the values implicit in the cultural asset involves protection compliance. Finally, the fourth chapter becomes the highlight, because it treated of the end process of the cultural heritage protection, the consummation of the intervention. The theory, the criticism, the rules and even the radical doctrines on the protection of cultural heritage, are meaningless if they do not take place the facts, the action, in antithesis to the omission. The history of the architectural heritage has given eloquent proof by itself. A lot of vestiges have been lost, in many times, for the destruction, through indolence or unknowledge. For this reason, and to be consistent with our thesis, we have collected and analyzed the projects documentation of three monuments (the Burgos Cathedral, the Aljafería Palace-Castle in Zaragoza and the Wall of Lugo). Sometimes, some researchers have suspected that there had not been planning. They suspect that the projects have been the result of different emergency situations. In opposition of this, we confirm that, except for emergency interventions result of specific circumstances, there have been a process of analysis to conclude in the priorities designation, which has guided the restoration process over two centuries. The complexity, magnitude and constructive uniqueness have defined the evolution of intervention. In conclusion, the effectiveness of the protection of Spanish cultural heritage lies in the conjunction of many aspects, including: the successful implementation of existing, specific and ancillary standards; the knowledge of good and its historical, artistic and cultural values; the cataloging and inclusion in the relevant inventories; and the commitment of the actors and institutions on which it depends. These planning tasks are necessary to ensure both structural safeguards as conservation values; and the introduction of a monitoring plan to detect possible dangers that threaten its conservation. But, the optimal situation would be given by a system in which these urban-regulations and specific mechanisms, would work together like a machine, where each piece operated with relative independence, but in tune with the other gears. So far, the reality is far from this situation, turning this coexistence in a utopia. Both legislators and officials and technicians involved must be aware that the effectiveness and scope of protection depends on your insight and commitment.

Nonlinear normal modes in mechanical systems: concept and computation with numerical continuation

The purpose of this Project is, first and foremost, to disclose the topic of nonlinear vibrations and oscillations in mechanical systems and, namely, nonlinear normal modes NNMs to a greater audience of researchers and technicians. To do so, first of all, the dynamical behavior and properties of nonlinear mechanical systems is outlined from the analysis of a pair of exemplary models with the harmonic balanced method. The conclusions drawn are contrasted with the Linear Vibration Theory. Then, it is argued how the nonlinear normal modes could, in spite of their limitations, predict the frequency response of a mechanical system. After discussing those introductory concepts, I present a Matlab package called 'NNMcont' developed by a group of researchers from the University of Liege. This package allows the analysis of nonlinear normal modes of vibration in a range of mechanical systems as extensions of the linear modes. This package relies on numerical methods and a 'continuation algorithm' for the computation of the nonlinear normal modes of a conservative mechanical system. In order to prove its functionality, a two degrees of freedom mechanical system with elastic nonlinearities is analized. This model comprises a mass suspended on a foundation by means of a spring-viscous damper mechanism -analogous to a very simplified model of most suspended structures and machines- that has attached a mass damper as a passive vibration control system. The results of the computation are displayed on frequency energy plots showing the NNMs branches along with modal curves and time-series plots for each normal mode. Finally, a critical analysis of the results obtained is carried out with an eye on devising what they can tell the researcher about the dynamical properties of the system.

Fluid-solid interaction in arteries incorporating the autoregulation concept in boundary conditions

In pre-surgery decisions in hospital emergency cases, fast and reliable results of the solid and fluid mechanics problems are of great interest to clinicians. In the current investigation, an iterative process based on a pressure-type boundary condition is proposed in order to reduce the computational costs of blood flow simulations in arteries, without losing control of the important clinical parameters. The incorporation of cardiovascular autoregulation, together with the well-known impedance boundary condition, forms the basis of the proposed methodology. With autoregulation, the instabilities associated with conventional pressure-type or impedance boundary conditions are avoided without an excessive increase in computational costs. The general behaviour of pulsatile blood flow in arteries, which is important from the clinical point of view, is well reproduced through this new methodology. In addition, the interaction between the blood and the arterial walls occurs via a modified weak coupling, which makes the simulation more stable and computationally efficient. Based on in vitro experiments, the hyperelastic behaviour of the wall is characterised and modelled. The applications and benefits of the proposed pressure-type boundary condition are shown in a model of an idealised aortic arch with and without an ascending aorta dissection, which is a common cardiovascular disorder.

Lipidic cubic phases: A novel concept for the crystallization of membrane proteins

Understanding the mechanisms of action of membrane proteins requires the elucidation of their structures to high resolution. The critical step in accomplishing this by x-ray crystallography is the routine availability of well-ordered three-dimensional crystals. We have devised a novel, rational approach to meet this goal using quasisolid lipidic cubic phases. This membrane system, consisting of lipid, water, and protein in appropriate proportions, forms a structured, transparent, and complex three-dimensional lipidic array, which is pervaded by an intercommunicating aqueous channel system. Such matrices provide nucleation sites (“seeding”) and support growth by lateral diffusion of protein molecules in the membrane (“feeding”). Bacteriorhodopsin crystals were obtained from bicontinuous cubic phases, but not from micellar systems, implying a critical role of the continuity of the diffusion space (the bilayer) on crystal growth. Hexagonal bacteriorhodopsin crystals diffracted to 3.7 Å resolution, with a space group P63, and unit cell dimensions of a = b = 62 Å, c = 108 Å; α = β = 90° and γ = 120°.

Transition-state structure as a unifying basis in protein-folding mechanisms: Contact order, chain topology, stability, and the extended nucleus mechanism

I attempt to reconcile apparently conflicting factors and mechanisms that have been proposed to determine the rate constant for two-state folding of small proteins, on the basis of general features of the structures of transition states. Φ-Value analysis implies a transition state for folding that resembles an expanded and distorted native structure, which is built around an extended nucleus. The nucleus is composed predominantly of elements of partly or well-formed native secondary structure that are stabilized by local and long-range tertiary interactions. These long-range interactions give rise to connecting loops, frequently containing the native loops that are poorly structured. I derive an equation that relates differences in the contact order of a protein to changes in the length of linking loops, which, in turn, is directly related to the unfavorable free energy of the loops in the transition state. Kinetic data on loop extension mutants of CI2 and α-spectrin SH3 domain fit the equation qualitatively. The rate of folding depends primarily on the interactions that directly stabilize the nucleus, especially those in native-like secondary structure and those resulting from the entropy loss from the connecting loops, which vary with contact order. This partitioning of energy accounts for the success of some algorithms that predict folding rates, because they use these principles either explicitly or implicitly. The extended nucleus model thus unifies the observations of rate depending on both stability and topology.