Application of FTIR microscopy to cultural heritage materials

Research in art conservation has been developed from the early 1950s, giving a significant contribution to the conservation-restoration of cultural heritage artefacts. In fact, only through a profound knowledge about the nature and conditions of constituent materials, suitable decisions on the conservation and restoration measures can thus be adopted and preservation practices enhanced. The study of ancient artworks is particularly challenging as they can be considered as heterogeneous and multilayered systems where numerous interactions between the different components as well as degradation and ageing phenomena take place. However, difficulties to physically separate the different layers due to their thickness (1-200 µm) can result in the inaccurate attribution of the identified compounds to a specific layer. Therefore, details can only be analysed when the sample preparation method leaves the layer structure intact, as for example the preparation of embedding cross sections in synthetic resins. Hence, spatially resolved analytical techniques are required not only to exactly characterize the nature of the compounds but also to obtain precise chemical and physical information about ongoing changes. This thesis focuses on the application of FTIR microspectroscopic techniques for cultural heritage materials. The first section is aimed at introducing the use of FTIR microscopy in conservation science with a particular attention to the sampling criteria and sample preparation methods. The second section is aimed at evaluating and validating the use of different FTIR microscopic analytical methods applied to the study of different art conservation issues which may be encountered dealing with cultural heritage artefacts: the characterisation of the artistic execution technique (chapter II-1), the studies on degradation phenomena (chapter II-2) and finally the evaluation of protective treatments (chapter II-3). The third and last section is divided into three chapters which underline recent developments in FTIR spectroscopy for the characterisation of paint cross sections and in particular thin organic layers: a newly developed preparation method with embedding systems in infrared transparent salts (chapter III-1), the new opportunities offered by macro-ATR imaging spectroscopy (chapter III-2) and the possibilities achieved with the different FTIR microspectroscopic techniques nowadays available (chapter III-3). In chapter II-1, FTIR microspectroscopy as molecular analysis, is presented in an integrated approach with other analytical techniques. The proposed sequence is optimized in function of the limited quantity of sample available and this methodology permits to identify the painting materials and characterise the adopted execution technique and state of conservation. Chapter II-2 describes the characterisation of the degradation products with FTIR microscopy since the investigation on the ageing processes encountered in old artefacts represents one of the most important issues in conservation research. Metal carboxylates resulting from the interaction between pigments and binding media are characterized using synthesised metal palmitates and their production is detected on copper-, zinc-, manganese- and lead- (associated with lead carbonate) based pigments dispersed either in oil or egg tempera. Moreover, significant effects seem to be obtained with iron and cobalt (acceleration of the triglycerides hydrolysis). For the first time on sienna and umber paints, manganese carboxylates are also observed. Finally in chapter II-3, FTIR microscopy is combined with further elemental analyses to characterise and estimate the performances and stability of newly developed treatments, which should better fit conservation-restoration problems. In the second part, in chapter III-1, an innovative embedding system in potassium bromide is reported focusing on the characterisation and localisation of organic substances in cross sections. Not only the identification but also the distribution of proteinaceous, lipidic or resinaceous materials, are evidenced directly on different paint cross sections, especially in thin layers of the order of 10 µm. Chapter III-2 describes the use of a conventional diamond ATR accessory coupled with a focal plane array to obtain chemical images of multi-layered paint cross sections. A rapid and simple identification of the different compounds is achieved without the use of any infrared microscope objectives. Finally, the latest FTIR techniques available are highlighted in chapter III-3 in a comparative study for the characterisation of paint cross sections. Results in terms of spatial resolution, data quality and chemical information obtained are presented and in particular, a new FTIR microscope equipped with a linear array detector, which permits reducing the spatial resolution limit to approximately 5 µm, provides very promising results and may represent a good alternative to either mapping or imaging systems.

Synthese von flüssigkristallinen Polysiloxanen und Charakterisierung der smektischen Phasen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der smektischen Phasen von Polysiloxanen mit flüssigkristallinen Seitengruppen (LC-Polysiloxane). Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasste sich mit der Herstellung verschiedener flüssigkristalliner ferroelektrischer Polysiloxane. Die Polymere wurden in Bezug auf das verwendete Polymerrückgrat (Homo- und Copolysiloxan) sowie durch den zusätzlichen Einbau von vernetzbaren Seitengruppen variiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Eigenschaften der smektischen Phasen der hergestellten Substanzen näher untersucht. Ein erster Untersuchungsgegenstand war das Dehnungsverhalten von freistehenden flüssigkristallinen Elastomerfilmen (LCE). Bei der Verwendung eines Polymers, in dem nur ein Teil des Polysiloxanrückgrats mit Seitengruppen substituiert ist, wird die uniaxiale Dehnung des Films parallel zu den smektischen Schichten durch eine gleichmäßige Kontraktion in der Filmebene und parallel zur Schichtnormalen ausgeglichen, was auf einen außergewöhnlich niedrigen smektischen Schichtkompressionsmodul zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu ist dieser Modul bei den Homopolymersystemen so groß, dass praktisch senkrecht zu den smektischen Schichten keine Kontraktion stattfindet. Ein zweiter Untersuchungsgegenstand der Netzwerkbildung bestand in der Bestimmung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften der LC-Polysiloxane mittels eines Oszillationsrheometers. Hier erfolgten die Messungen von Speicher- und Verlustmodul in Abhängigkeit vom Polymerrückgrat und von der Vernetzung. Die unvernetzten Systeme zeigten in den smektischen Phasen (oberhalb Tg) noch – im wesentlichen – Festkörpereigenschaften (physikalische Vernetzung) mit einem dominierenden Speichermodul beim LC-Homopolysiloxan. Beim LC-Copolysiloxan haben beide Module eine gleiche Größenordnung. Am Phasenübergang in die isotrope Phase wurden beide Module absolut kleiner, der Verlustmodul aber relativ größer. In der isotropen Phase verhalten sich die LC-Polymere damit überwiegend wie viskose Schmelzen. Außerdem korrelierten die mittels DSC bestimmten Phasenübergangstemperaturen mit einer Änderung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften. Nach der Vernetzung dominierte der Speichermodul sowohl beim LC-Homo- als auch beim LC-Copolysiloxan bis in die isotrope Phase, und es war aufgrund der Bildung einer festen Netzwerkstruktur keine Abhängigkeit der Module von Phasenübergängen mehr erkennbar. Als dritter Untersuchungsgegenstand wurde der Phasenübergang zwischen den beiden smektischen Phasen (SmC* nach SmA*) der flüssigkristallinen Polysiloxane näher behandelt. Als wichtigstes Ergebnis ist festzuhalten, dass die verdünnten LC-Polysiloxane an diesem Übergang fast keine Schichtdickenänderung aufweisen. Dazu wurde jeweils die röntgenographisch ermittelte Schichtdicke mit der aus den optischen Tiltwinkeln theoretisch berechneten Schichtdicke verglichen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass sich die Phasenübergänge nach dem de Vries-Modell verhalten. Damit konnte zum ersten Mal an Polymersystemen ein de Vries-Verhalten nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu zeigte das Homopolysiloxan mit dem Dreiringmesogen beim Übergang von SmC* nach SmA* einen ausgeprägten Sprung in der Schichtdicke. Wie auch durch DSC-Messungen nachweisbar, lag ein Phasenübergang 1. Ordnung vor. Bei den LC-Copolysiloxanen liegt dagegen ein Phasenübergang 2. Ordnung vor. Schließlich wurde die Schichtdicke unter dem Einfluss der Vernetzung untersucht. Beim LC-Copolysiloxan mit dem Dreiringmesogen und einem Anteil an vernetzbaren Gruppen von 15 % wurde eine Stabilisierung der smektischen Phasen erreicht. Zum einen war die Änderung der Schichtdicke am SmC*-SmA*-Phasenübergang geringer im Vergleich zum unvernetzten System und zum anderen war noch 50 °C über der ursprünglichen Klärtemperatur eine smektische Schichtstruktur röntgenographisch nachzuweisen. Insgesamt ist es mit den verschiedenen Untersuchungsmethoden gelungen, einen systematischen Unterschied zwischen smektischen Homo- und Copolysiloxanen aufzuzeigen, der seinen Ursprung – aller Wahrscheinlichkeit nach – in der Mikrophasenseparation von Mesogenen und Polysiloxanketten findet.

Il problema di Dirichlet per equazioni lineari ellittiche in forma di divergenza

The purpose of this dissertation is to prove that the Dirichlet problem in a bounded domain is uniquely solvable for elliptic equations in divergence form. The proof can be achieved by Hilbert space methods based on generalized or weak solutions. Existence and uniqueness of a generalized solution for the Dirichlet problem follow from the Fredholm alternative and weak maximum principle.

Detecting interfaces in a parabolic-elliptic problem from surface measurements

Assuming that the heat capacity of a body is negligible outside certain inclusions the heat equation degenerates to a parabolic-elliptic interface problem. In this work we aim to detect these interfaces from thermal measurements on the surface of the body. We deduce an equivalent variational formulation for the parabolic-elliptic problem and give a new proof of the unique solvability based on Lions’s projection lemma. For the case that the heat conductivity is higher inside the inclusions, we develop an adaptation of the factorization method to this time-dependent problem. In particular this shows that the locations of the interfaces are uniquely determined by boundary measurements. The method also yields to a numerical algorithm to recover the inclusions and thus the interfaces. We demonstrate how measurement data can be simulated numerically by a coupling of a finite element method with a boundary element method, and finally we present some numerical results for the inverse problem.

Störungstheoretische Behandlung relativistischer Korrekturen zu Gleichgewichtsstrukturen im Rahmen der Coupled-Cluster-Theorie

Quantenchemische Untersuchungen von Atomen und Molekülen haben in den letzten Jahren durch die systematische Erweiterung der Methoden und Computerresourcen zunehmend für die Interpretation und Vorhersage experimenteller Ergebnisse an Bedeutung gewonnen. Relativistische Effekte in der Chemie werden zum Beispiel für die gelbe Farbe von Gold und den flüssigen Aggregatzustand von Quecksilber verantwortlich gemacht und müssen daher in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Relativistische Effekte sind bei leichten Elementen oft so klein, daß sie in vielen quantenchemischen Betrachtungen vernachlässigt werden. Dennoch sind es gerade diese Beiträge, die verbleibende Abweichungen von noch so genauen nichtrelativistischen Rechnungen von ebenso genauen experimentellen Ergebnissen ausmachen können. Relativistische Effekte können auf viele Arten in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit ist die Störungstheorie. Ein derartiger Ansatz ist die Mass-velocity-Darwin-Näherung, ein anderer die Direkte Störungstheorie. Hier entspricht die relativistische Energiekorrektur erster Ordnung der ersten Ableitung der Energie nach einem relativistischen Störparameter. Für eine Bestimmung der Gleichgewichtsstruktur eines Moleküls müssen die Kräfte auf die Atomkerne bestimmt werden. Diese entsprechen einer ersten Ableitung der Gesamtenergie nach den Kernkoordinaten. Eine Einbeziehung der relativistischen Effekte auf diese Kräfte erfordert daher die gemischte zweite Ableitung der Energie nach dem relativistischen Störparameter und den Kernkoordinaten. Diese relativistischen Korrekturen wurden in dem quantenchemischen Programmpaket ACES2 implementiert. Ein Resultat dieser Arbeit ist, daß nun erstmalig eine Implementierung analytischer Gradienten für die Berechnung relativistischer Korrekturen zu Strukturparametern mit Hilfe der relativistischen Störungstheorie für den Coupled-Cluster-Ansatz bereit steht. Die Coupled-Cluster-Theorie eignet sich besonders gut für die hochgenaue Vorhersage von molekularen Eigenschaften, wie der Gleichgewichtsstruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Basissatzabhängigkeit der relativistischen Beiträge zu Energien, Strukturparametern und harmonischen Schwingungsfrequenzen im Detail untersucht. Für die hier untersuchten Moleküle sind die relativistischen Effekte und Effekte aufgrund der Elektronenkorrelation nicht additiv, so verkürzt die Berücksichtigung relativistischer Effekte bei Hartree-Fock-Rechnungen die Bindung in den Hydrogenhalogeniden, während die Einbeziehung der Elektronenkorrelation durch CCSD(T)-Rechnungen zu einer verlängerten Bindung im Fluorwasserstoff und weniger stark ausgeprägten Korrekturen im Chlor- und Bromwasserstoff führt. Für die anderen hier untersuchten mehratomigen Moleküle findet sich kein einheitlicher Trend; dies unterstreicht die Notwendigkeit expliziter Rechnungen. Damit steht ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug für die Berechnung relativistischer Korrekturen auf verschiedenste molekulare Eigenschaften zur Verfügung, das mit modernen, systematisch verbesserbaren quantenchemischen Methoden verknüpft ist. Hiermit ist es möglich, hochgenaue Rechnungen zur Vorhersage und Interpretation von Experimenten durchzuführen.

Harnack inequalities in sub-Riemannian settings

In the present thesis, we discuss the main notions of an axiomatic approach for an invariant Harnack inequality. This procedure, originated from techniques for fully nonlinear elliptic operators, has been developed by Di Fazio, Gutiérrez, and Lanconelli in the general settings of doubling Hölder quasi-metric spaces. The main tools of the approach are the so-called double ball property and critical density property: the validity of these properties implies an invariant Harnack inequality. We are mainly interested in the horizontally elliptic operators, i.e. some second order linear degenerate-elliptic operators which are elliptic with respect to the horizontal directions of a Carnot group. An invariant Harnack inequality of Krylov-Safonov type is still an open problem in this context. In the thesis we show how the double ball property is related to the solvability of a kind of exterior Dirichlet problem for these operators. More precisely, it is a consequence of the existence of some suitable interior barrier functions of Bouligand-type. By following these ideas, we prove the double ball property for a generic step two Carnot group. Regarding the critical density, we generalize to the setting of H-type groups some arguments by Gutiérrez and Tournier for the Heisenberg group. We recognize that the critical density holds true in these peculiar contexts by assuming a Cordes-Landis type condition for the coefficient matrix of the operator. By the axiomatic approach, we thus prove an invariant Harnack inequality in H-type groups which is uniform in the class of the coefficient matrices with prescribed bounds for the eigenvalues and satisfying such a Cordes-Landis condition.

Fluid-structure interaction by a coupled lattice Boltzmann-finite element approach

In this thesis, a strategy to model the behavior of fluids and their interaction with deformable bodies is proposed. The fluid domain is modeled by using the lattice Boltzmann method, thus analyzing the fluid dynamics by a mesoscopic point of view. It has been proved that the solution provided by this method is equivalent to solve the Navier-Stokes equations for an incompressible flow with a second-order accuracy. Slender elastic structures idealized through beam finite elements are used. Large displacements are accounted for by using the corotational formulation. Structural dynamics is computed by using the Time Discontinuous Galerkin method. Therefore, two different solution procedures are used, one for the fluid domain and the other for the structural part, respectively. These two solvers need to communicate and to transfer each other several information, i.e. stresses, velocities, displacements. In order to guarantee a continuous, effective, and mutual exchange of information, a coupling strategy, consisting of three different algorithms, has been developed and numerically tested. In particular, the effectiveness of the three algorithms is shown in terms of interface energy artificially produced by the approximate fulfilling of compatibility and equilibrium conditions at the fluid-structure interface. The proposed coupled approach is used in order to solve different fluid-structure interaction problems, i.e. cantilever beams immersed in a viscous fluid, the impact of the hull of the ship on the marine free-surface, blood flow in a deformable vessels, and even flapping wings simulating the take-off of a butterfly. The good results achieved in each application highlight the effectiveness of the proposed methodology and of the C++ developed software to successfully approach several two-dimensional fluid-structure interaction problems.

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.

Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen mit der RI-CC2-Methode: Implementierung und Anwendung auf Triplett-Excimere

Die Themengebiete dieser Arbeit umfassen sowohl methodische Weiterentwicklungen im Rahmen der ab initio zweiter Ordnungsmethoden CC2 und ADC(2) als auch Anwendungen dieser Weiterentwick-lungen auf aktuelle Fragestellungen. Die methodischen Erweiterungen stehen dabei hauptsächlich im Zusammenhang mit Übergangsmomenten zwischen angeregten Zuständen. Durch die Implementie-rung der selbigen ist nun die Berechnung transienter Absorptionsspektren möglich. Die Anwendungen behandeln vorwiegend das Feld der organischen Halbleiter und deren photo-elektronische Eigen-schaften. Dabei spielen die bislang wenig erforschten Triplett-Excimere eine zentrale Rolle.rnDie Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurden in das Programmpaket TUR-BOMOLE implementiert. Dadurch wurde die Berechnung der Übergangsmomente zwischen Zustän-den gleicher Multiplizität (d.h. sowohl Singulett-Singulett- als auch Triplett-Triplett-Übergänge) und unterschiedlicher Multiplizität (also Singulett-Triplett-Übergänge) möglich. Als Erweiterung wurde durch ein Interface zum ORCA Programm die Berechnung von Spin-Orbit-Matrixelementen (SOMEs) implementiert. Des Weiteren kann man mit dieser Implementierung auch Übergänge in offenschaligen Systemen berechnen. Um den Speicherbedarf und die Rechenzeit möglichst gering zu halten wurde die resolution-of-the-identity (RI-) Näherung benutzt. Damit lässt sich der Speicherbedarf von O(N4) auf O(N3) reduzieren, da die mit O(N4) skalierenden Größen (z. B. die T2-Amplituden) sehr effizient aus RI-Intermediaten berechnet werden können und daher nicht abgespeichert werden müssen. Dadurch wird eine Berechnung für mittelgroße Moleküle (ca. 20-50 Atome) mit einer angemessenen Basis möglich.rnDie Genauigkeit der Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurde für einen Testsatz kleiner Moleküle sowie für ausgewählte größere organische Moleküle getestet. Dabei stellte sich her-aus, dass der Fehler der RI-Näherung sehr klein ist. Die Vorhersage der transienten Spektren mit CC2 bzw. ADC(2) birgt allerdings ein Problem, da diese Methoden solche Zustände nur sehr unzureichend beschreiben, welche hauptsächlich durch zweifach-Anregungen bezüglich der Referenzdeterminante erzeugt werden. Dies ist für die Spektren aus dem angeregten Zustand relevant, da Übergänge zu diesen Zuständen energetisch zugänglich und erlaubt sein können. Ein Beispiel dafür wird anhand eines Singulett-Singulett-Spektrums in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Für die Übergänge zwischen Triplettzuständen ist dies allerdings weniger problematisch, da die energetisch niedrigsten Doppelan-regungen geschlossenschalig sind und daher für Tripletts nicht auftreten.rnVon besonderem Interesse für diese Arbeit ist die Bildung von Excimeren im angeregten Triplettzu-stand. Diese können aufgrund starker Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen großer organischer Moleküle auftreten, wie sie zum Beispiel als organische Halbleiter in organischen Leucht-dioden eingesetzt werden. Dabei können die Excimere die photo-elktronischen Eigenschaften dieser Substanzen signifikant beeinflussen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher zwei solcher Sys-teme untersucht, [3.3](4,4’)Biphenylophan und das Naphthalin-Dimer. Hierzu wurden die transienten Anregungsspektren aus dem ersten angeregten Triplettzustand berechnet und diese Ergebnisse für die Interpretation der experimentellen Spektren herangezogen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentellen Spektren konnte gezeigt werden, dass es für eine koplanare Anordnung der beiden Monomere zu einer starken Kopplung zwischen lokal angereg-ten und charge-transfer Zuständen kommt. Diese Kopplung resultiert in einer signifikanten energeti-schen Absenkung des ersten angeregten Zustandes und zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Monomereinheiten. Dabei ist der angeregte Zustand über beide Monomere delokalisiert. Die star-ke Kopplung tritt bei einem intermolekularen Abstand ≤4 Å auf, was einem typischen Abstand in orga-nischen Halbleitern entspricht. In diesem Bereich kann man zur Berechnung dieser Systeme nicht auf die Förster-Dexter-Theorie zurückgreifen, da diese nur für den Grenzfall der schwachen Kopplung gültig ist.

Higher-order perturbative relativistic corrections to energies and properties

Relativistic effects need to be considered in quantum-chemical calculations on systems including heavy elements or when aiming at high accuracy for molecules containing only lighter elements. In the latter case, consideration of relativistic effects via perturbation theory is an attractive option. Among the available techniques, Direct Perturbation Theory (DPT) in its lowest order (DPT2) has become a standard tool for the calculation of relativistic corrections to energies and properties.In this work, the DPT treatment is extended to the next order (DPT4). It is demonstrated that the DPT4 correction can be obtained as a second derivative of the energy with respect to the relativistic perturbation parameter. Accordingly, differentiation of a suitable Lagrangian, thereby taking into account all constraints on the wave function, provides analytic expressions for the fourth-order energy corrections. The latter have been implemented at the Hartree-Fock level and within second-order Møller-Plesset perturbaton theory using standard analytic second-derivative techniques into the CFOUR program package. For closed-shell systems, the DPT4 corrections consist of higher-order scalar-relativistic effects as well as spin-orbit corrections with the latter appearing here for the first time in the DPT series.Relativistic corrections are reported for energies as well as for first-order electrical properties and compared to results from rigorous four-component benchmark calculations in order to judge the accuracy and convergence of the DPT expansion for both the scalar-relativistic as well as the spin-orbit contributions. Additionally, the importance of relativistic effects to the bromine and iodine quadrupole-coupling tensors is investigated in a joint experimental and theoretical study concerning the rotational spectra of CH2BrF, CHBrF2, and CH2FI.

Development of a model-based transient calibration process for diesel engine electronic control module tables – Part 2: modelling and optimization

This is the second part of a study investigating a model-based transient calibration process for diesel engines. The first part addressed the data requirements and data processing required for empirical transient emission and torque models. The current work focuses on modelling and optimization. The unexpected result of this investigation is that when trained on transient data, simple regression models perform better than more powerful methods such as neural networks or localized regression. This result has been attributed to extrapolation over data that have estimated rather than measured transient air-handling parameters. The challenges of detecting and preventing extrapolation using statistical methods that work well with steady-state data have been explained. The concept of constraining the distribution of statistical leverage relative to the distribution of the starting solution to prevent extrapolation during the optimization process has been proposed and demonstrated. Separate from the issue of extrapolation is preventing the search from being quasi-static. Second-order linear dynamic constraint models have been proposed to prevent the search from returning solutions that are feasible if each point were run at steady state, but which are unrealistic in a transient sense. Dynamic constraint models translate commanded parameters to actually achieved parameters that then feed into the transient emission and torque models. Combined model inaccuracies have been used to adjust the optimized solutions. To frame the optimization problem within reasonable dimensionality, the coefficients of commanded surfaces that approximate engine tables are adjusted during search iterations, each of which involves simulating the entire transient cycle. The resulting strategy, different from the corresponding manual calibration strategy and resulting in lower emissions and efficiency, is intended to improve rather than replace the manual calibration process.

Dual-energy CT-cholangiography in potential donors for living-related liver transplantation: Improved biliary visualization by intravenous morphine co-medication

PURPOSE: To prospectively evaluate whether intravenous morphine co-medication improves bile duct visualization of dual-energy CT-cholangiography. MATERIALS AND METHODS: Forty potential donors for living-related liver transplantation underwent CT-cholangiography with infusion of a hepatobiliary contrast agent over 40min. Twenty minutes after the beginning of the contrast agent infusion, either normal saline (n=20 patients; control group [CG]) or morphine sulfate (n=20 patients; morphine group [MG]) was injected. Forty-five minutes after initiation of the contrast agent, a dual-energy CT acquisition of the liver was performed. Applying dual-energy post-processing, pure iodine images were generated. Primary study goals were determination of bile duct diameters and visualization scores (on a scale of 0 to 3: 0-not visualized; 3-excellent visualization). RESULTS: Bile duct visualization scores for second-order and third-order branch ducts were significantly higher in the MG compared to the CG (2.9±0.1 versus 2.6±0.2 [P<0.001] and 2.7±0.3 versus 2.1±0.6 [P<0.01], respectively). Bile duct diameters for the common duct and main ducts were significantly higher in the MG compared to the CG (5.9±1.3mm versus 4.9±1.3mm [P<0.05] and 3.7±1.3mm versus 2.6±0.5mm [P<0.01], respectively). CONCLUSION: Intravenous morphine co-medication significantly improved biliary visualization on dual-energy CT-cholangiography in potential donors for living-related liver transplantation.

Intermolecular Clamping by Hydrogen Bonds: 2-Pyridone center dot NH3

A combined spectroscopic and ab initio theoretical study of the doubly hydrogen-bonded complex of 2-pyridone (2PY) with NH3 has been performed. The S-1 <- S-0 spectrum extends up to approximate to 1200 cm(-1) above the 0(0)(0) band, close to twice the range observed for 2PY. The S-1 state nonradiative decay for vibrations above approximate to 300 cm(-1) in the NH3 complex is dramatically slowed down relative to bare 2PY. Also, the Delta v=2,4,... overtone bands of the v(1)' and v(2)' out-of-plane vibrations that dominate the low-energy spectral region of 2PY are much weaker or missing for 2PY center dot NH3, which implies that the bridging (2PY)NH center dot center dot center dot NH3 and H2NH center dot center dot center dot O=C H-bonds clamp the 2PY at a planar geometry in the S-1 state. The mass-resolved UV vibronic spectra of jet-cooled 2PY center dot NH3 and its H/D mixed isotopomers are measured using two-color resonant two-photon ionization spectroscopy. The S-0 and S-1 equilibrium structures and normal-mode frequencies are calculated by density functional (B3LYP) and correlated ab initio methods (MP2 and approximate second-order coupled-cluster, CC2). The S-1 <- S-0 vibronic assignments are based on configuration interaction singles (CIS) and CC2 calculations. A doubly H-bonded bridged structure of C-S symmetry is predicted, in agreement with that of Held and Pratt [J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 9718]. While the B3LYP and MP2 calculated rotational constants are in very good agreement with experiment, the calculated H2NH center dot center dot center dot O=C H-bond distance is approximate to 0.7 angstrom shorter than that derived by Held and Pratt. On the other hand, this underlines their observation that ammonia can act as a strong H-bond donor when built into an H-bonded bridge. The CC2 calculations predict the H2NH center dot center dot center dot O distance to increase by 0.2 angstrom upon S-1 <- S-0 electronic excitation, while the (2PY)NH center dot center dot center dot NH3 H-bond remains nearly unchanged. Thus, the expansion of the doubly H-bonded bridge in the excited state is asymmetric and almost wholly due to the weakening of the interaction of ammonia with the keto acceptor group.

The Modified Direct Analysis Method: an Extension of the Direct Analysis Method

The purpose of this research project is to study an innovative method for the stability assessment of structural steel systems, namely the Modified Direct Analysis Method (MDM). This method is intended to simplify an existing design method, the Direct Analysis Method (DM), by assuming a sophisticated second-order elastic structural analysis will be employed that can account for member and system instability, and thereby allow the design process to be reduced to confirming the capacity of member cross-sections. This last check can be easily completed by substituting an effective length of KL = 0 into existing member design equations. This simplification will be particularly useful for structural systems in which it is not clear how to define the member slenderness L/r when the laterally unbraced length L is not apparent, such as arches and the compression chord of an unbraced truss. To study the feasibility and accuracy of this new method, a set of 12 benchmark steel structural systems previously designed and analyzed by former Bucknell graduate student Jose Martinez-Garcia and a single column were modeled and analyzed using the nonlinear structural analysis software MASTAN2. A series of Matlab-based programs were prepared by the author to provide the code checking requirements for investigating the MDM. By comparing MDM and DM results against the more advanced distributed plasticity analysis results, it is concluded that the stability of structural systems can be adequately assessed in most cases using MDM, and that MDM often appears to be a more accurate but less conservative method in assessing stability.

Soft-decision equalization techniques for frequency selective MIMO channels

Multi-input multi-output (MIMO) technology is an emerging solution for high data rate wireless communications. We develop soft-decision based equalization techniques for frequency selective MIMO channels in the quest for low-complexity equalizers with BER performance competitive to that of ML sequence detection. We first propose soft decision equalization (SDE), and demonstrate that decision feedback equalization (DFE) based on soft-decisions, expressed via the posterior probabilities associated with feedback symbols, is able to outperform hard-decision DFE, with a low computational cost that is polynomial in the number of symbols to be recovered, and linear in the signal constellation size. Building upon the probabilistic data association (PDA) multiuser detector, we present two new MIMO equalization solutions to handle the distinctive channel memory. With their low complexity, simple implementations, and impressive near-optimum performance offered by iterative soft-decision processing, the proposed SDE methods are attractive candidates to deliver efficient reception solutions to practical high-capacity MIMO systems. Motivated by the need for low-complexity receiver processing, we further present an alternative low-complexity soft-decision equalization approach for frequency selective MIMO communication systems. With the help of iterative processing, two detection and estimation schemes based on second-order statistics are harmoniously put together to yield a two-part receiver structure: local multiuser detection (MUD) using soft-decision Probabilistic Data Association (PDA) detection, and dynamic noise-interference tracking using Kalman filtering. The proposed Kalman-PDA detector performs local MUD within a sub-block of the received data instead of over the entire data set, to reduce the computational load. At the same time, all the inter-ference affecting the local sub-block, including both multiple access and inter-symbol interference, is properly modeled as the state vector of a linear system, and dynamically tracked by Kalman filtering. Two types of Kalman filters are designed, both of which are able to track an finite impulse response (FIR) MIMO channel of any memory length. The overall algorithms enjoy low complexity that is only polynomial in the number of information-bearing bits to be detected, regardless of the data block size. Furthermore, we introduce two optional performance-enhancing techniques: cross- layer automatic repeat request (ARQ) for uncoded systems and code-aided method for coded systems. We take Kalman-PDA as an example, and show via simulations that both techniques can render error performance that is better than Kalman-PDA alone and competitive to sphere decoding. At last, we consider the case that channel state information (CSI) is not perfectly known to the receiver, and present an iterative channel estimation algorithm. Simulations show that the performance of SDE with channel estimation approaches that of SDE with perfect CSI.