Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Sviluppo e caratterizzazione di algoritmi di segmentazione per l'analisi del cammino in acqua con tecnica markerless

Recenti studi hanno evidenziato come il cammino in ambiente acquatico possa portare a notevoli benefici nell’ambito di un processo riabilitativo: il cammino in acqua è infatti oggi considerato una delle principali terapie per pazienti con disturbi nella deambulazione, oltre ad essere impiegato per migliorare il recupero a seguito di interventi ed infortuni. Una caratterizzazione biomeccanica del cammino umano in acqua permetterebbe tuttavia di giungere a una conoscenza più approfondita degli effetti di quest’attività sul processo riabilitativo, e dunque a una sua prescrizione più mirata come parte delle terapie. Nonostante il crescente interesse, uno dei motivi per cui ancora pochi studi sono stati condotti in questo senso risiede nell’inadeguatezza di molti dei tradizionali sistemi di Motion Capture rispetto all’impiego subacqueo. La nuova branca della Markerless Motion Capture potrebbe invece in questo senso rappresentare una soluzione. In particolare, ci si occuperà in questo lavoro di tesi della tecnica markerless basata sulla ricostruzione del visual hull per retroproiezione delle silhouette. Il processo iniziale che permette di ottenere le silhouette dai video delle acquisizioni è detto segmentazione, la quale è anche una fase particolarmente importante per ottenere una buona accuratezza finale nella ricostruzione della cinematica articolare. Si sono pertanto sviluppati e caratterizzati in questo lavoro di tesi sette algoritmi di segmentazione, nati specificamente nell’ottica dell’analisi del cammino in acqua con tecnica markerless. Si mostrerà inoltre come determinate caratteristiche degli algoritmi influenzino la qualità finale della segmentazione, e sarà infine presentato un ulteriore algoritmo di post-processing per il miglioramento della qualità delle immagini segmentate.

Caratterizzazione della flora microbica orale in diverse categorie di pazienti sindromici in età evolutiva.

La salute orale dei soggetti affetti da patologie sistemiche responsabili di disabilità fisiche e/o psichiche, in particolare in età evolutiva, è un obiettivo da perseguire di primaria importanza al fine di migliorare la qualità della vita del bambino e garantirgli un buon inserimento nel contesto sociale. Ricerche sperimentali e cliniche hanno individuato i momenti eziopatogenetici delle diverse problematiche che si riscontrano a carico del cavo orale, con una frequenza superiore nei pazienti disabili rispetto alla restante popolazione, attribuendo ai batteri formanti la placca e a quelli con la capacità di indurre un danno parodontale un ruolo chiave. Diversi sono stati i protocolli di prevenzione e terapia proposti nel tempo, costruiti proprio in relazione all’età del soggetto ed alla tipologia della disabilità; tuttavia risulta di fondamentale importanza chiarire il complesso rapporto tra la popolazione microbica orale e l'ospite nello stato di malattia. In un contesto del genere, intento del lavoro di ricerca è proprio quello di portare a termine un progetto di bonifica dentaria su un gruppo di pazienti in età compresa tra i 2 e i 17 anni, affetti da patologie sistemiche e patologie del cavo orale, sulla base di un profilo microbiologico, a partire da tamponi salivari e prelievi parodontali. Stilando il profilo microbiologico del “gruppo campione” e confrontandolo con quello di un gruppo di pazienti di controllo, lo studio si propone di riuscire a delineare i miglioramenti, qualora ci fossero, post terapia odontostomatologica e di riuscire a trovare una base microbiologica alle patologie extra -orali annesse.

NMR spectroscopy and imaging of hyperpolarized gases

Since the discovery of the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, countless NMR techniques have been developed that are today indispensable tools in physics, chemistry, biology, and medicine. As one of the main obstacles in NMR is its notorious lack of sensitivity, different hyperpolarization (HP) methods have been established to increase signals up to several orders of magnitude. In this work, different aspects of magnetic resonance, using HP noble gases, are studied, hereby combining different disciplines of research. The first part examines new fundamental effects in NMR of HP gases, in theory and experiment. The spin echo phenomenon, which provides the basis of numerous modern experiments, is studied in detail in the gas phase. The changes of the echo signal in terms of amplitude, shape, and position, due to the fast translational motion, are described by an extension of the existing theory and computer simulations. With this knowledge as a prerequisite, the detection of intermolecular double-quantum coherences was accomplished for the first time in the gas phase. The second part of this thesis focuses on the development of a practical method to enhance the dissolution process of HP 129Xe, without loss of polarization or shortening of T1. Two different setups for application in NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI) are presented. The continuous operation allows biological and multidimensional spectroscopy in solutions. Also, first in vitro MRI images with dissolved HP 129Xe as contrast agent were obtained at a clinical scanner.

Influence of spatial constraints in non-crystalline regions on the polymer dynamics in semi-crystalline polyethylene: a solid state NMR study

A broad variety of solid state NMR techniques were used to investigate the chain dynamics in several polyethylene (PE) samples, including ultrahigh molecular weight PEs (UHMW-PEs) and low molecular weight PEs (LMW-PEs). Via changing the processing history, i.e. melt/solution crystallization and drawing processes, these samples gain different morphologies, leading to different molecular dynamics. Due to the long chain nature, the molecular dynamics of polyethylene can be distinguished in local fluctuation and long range motion. With the help of NMR these different kinds of molecular dynamics can be monitored separately. In this work the local chain dynamics in non-crystalline regions of polyethylene samples was investigated via measuring 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C chemical shift anisotropy (CSA). By analyzing the motionally averaged 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C CSA, the information about the local anisotropy and geometry of motion was obtained. Taking advantage of the big difference of the 13C T1 relaxation time in crystalline and non-crystalline regions of PEs, the 1D 13C MAS exchange experiment was used to investigate the cooperative chain motion between these regions. The different chain organizations in non-crystalline regions were used to explain the relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. In a simple manner the cooperative chain motion between crystalline and non-crystalline regions of PE results in the experimentally observed diffusive behavior of PE chain. The morphological influences on the diffusion motion have been discussed. The morphological factors include lamellar thickness, chain organization in non-crystalline regions and chain entanglements. Thermodynamics of the diffusion motion in melt and solution crystallized UHMW-PEs is discussed, revealing entropy-controlled features of the chain diffusion in PE. This thermodynamic consideration explains the counterintuitive relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. Using the chain diffusion coefficient, the rates of jump motion in crystals of the melt crystallized PE have been calculated. A concept of "effective" jump motion has been proposed to explain the difference between the values derived from the chain diffusion coefficients and those in literatures. The observations of this thesis give a clear demonstration of the strong relationship between the sample morphology and chain dynamics. The sample morphologies governed by the processing history lead to different spatial constraints for the molecular chains, leading to different features of the local and long range chain dynamics. The knowledge of the morphological influence on the microscopic chain motion has many implications in our understanding of the alpha-relaxation process in PE and the related phenomena such as crystal thickening, drawability of PE, the easy creep of PE fiber, etc.

Valutazione dei disturbi cognitivi nei pazienti sottoposti a Rivascolarizzazione Carotidea (Endoarterectomia vs Stenting) mediante dosaggio di marker di danno neuronale, Mini Mental State Examination e Risonanza Magnetica

Scopo del nostro studio è quello di valutare i disturbi cognitivi in relazione al tasso di microembolia cerebrale in due gruppi di pazienti trattati per lesione carotidea asintomatica con endoarterectomia (CEA) o stenting (CAS). Comparando le due metodiche mediante l’utilizzo di risonanza magnetica in diffusione (DW-MRI), neuromarkers (NSE e S100β) e test neuropsicometrici. MATERIALE E METODI: 60 pazienti sono stati sottoposti a rivascolarizzazione carotidea (CEA n=32 e CAS n=28). Sono stati tutti valutati con DW-MRI e Mini-Mental State Examination (MMSE) test nel preoperatorio, a 24 ore, a 6 ed a 12 mesi dall’intervento. In tutti sono stati dosati i livelli sierici di NSE e S100β mediante 5 prelievi seriati nel tempo, quello basale nel preoperatorio, l’ultimo a 24 ore. L’ananlisi statistica è stata effettuata con test t di Student per confronti multipli per valori continui e con test χ2 quadro e Fisher per le variabili categoriche. Significatività P <0,05. RISULTATI: Non vi è stato alcun decesso. Un paziente del gruppo CAS ha presentato un ictus ischemico. In 6 pazienti CAS ed in 1 paziente CEA si sono osservate nuove lesioni subcliniche alla RMN-DWI post-operatoria (21,4% vs 3% p=0,03). Nel gruppo CAS le nuove lesioni presenti alla RMN sono risultate significativamente associate ad un declino del punteggio del MMSE (p=0,001). L’analisi dei livelli di NSE e S100β ha mostrato un significativo aumento a 24 ore nei pazienti CAS (P = .02). A 12 mesi i pazienti che avevano presentato nuove lesioni ischemiche nel post-operatorio hanno mostrato minor punteggio al MMSE, non statisticamente significativo. CONCLUSIONI: I neuromarkers in combinazione con MMSE e RMN-DWI possono essere utilizzati nella valutazione del declino cognitivo correlato a lesioni silenti nell’immediato postoperatorio di rivascolarizzazione carotidea. Quest’ultime dovrebbero essere valutate quindi non solo rispetto al tasso di mortalità e ictus, ma anche rispetto al tasso di microembolia.

Caratterizzazione sperimentale di dispositivi antivibranti e ottimizzazione del loro impiego su un auto da F1

Studio di alcuni dispositivi presenti nelle vetture di formula 1, ma anche in quelle di serie più comuni, per l’ancoraggio e per l’isolamento delle vibrazioni fra componentistiche elettriche e telaio del veicolo. Questi dispositivi, noti come antivibranti (AV), svolgono un ruolo essenziale nel cercare di preservare i dispositivi elettrici: centraline, scatole cablate e connessioni elettriche. Il diffondersi di strumentazione adeguata a costi non più proibitivi ha permesso di studiare più in dettaglio e più scientificamente il comportamento degli AV per sfruttarli al meglio. Obiettivo di questo studio è dare una caratterizzazione scientifica e rigorosa alla maggior parte degli antivibranti presenti in STR7 monoposto Toro Rosso (mondiale di F1 2012), buona parte dei quali verrà utilizzata anche nelle successive vetture. Si volevano, inoltre, sviluppare alcuni modelli che potessero simulare correttamente montaggi di centraline generiche con tutte le diverse tipologie di antivibranti, in modo tale da poter vedere, prima ancora di realizzarli, come si comportavano i sistemi in quelle condizioni e dunque poter apportare modifiche al progetto tali da ottenere la configurazione di montaggio migliore. La continua ricerca di miglioramenti prestazionali che una competizione motoristica ad altissimi livelli richiede, il costante bisogno di alleggerimenti e maggiore affidabilità spingono la ricerca e l'azienda voleva passare da una progettazione basata sulla ripetizione delle configurazioni dimostratesi affidabili nel passato ad una progettazione più tecnica, scientifica e prestazionale. Per una buona caratterizzazione delle proprietà degli antivibranti sono stati progettati specifici test da eseguire al banco vibrante con i quali, lavorando nel dominio delle frequenze, si sono sfruttate le funzioni di risposte in frequenze di ogni antivibrante per ricavare i parametri caratteristici degli stessi nelle varie configurazioni. Con strategie grafiche, numeriche e teoriche si sono ricavati, con buone precisioni, i valori dei coefficienti di smorzamento e di rigidezza che caratterizzano i componenti studiati. Per l’esecuzione di questi test sono stati utilizati tutti gli strumenti messi a disposizione da Scuderia Toro Rosso nel laboratorio per prove vibrazionali recentemente approntato. Per la parte di simulazione numerica invece sono stati sfruttati i risultati ottenuti nella caratterizzazione degli antivibranti per creare programmi in ambiente Matlab che possano simulare il comportamento di generiche centraline montate in generici modi. Risultati di questo studio saranno gli andamenti dei coefficienti di rigidezza e smorzamento dei vari antivibranti nelle diverse configurazioni; inoltre si renderanno disponibili ai progettisti istruzioni e semplici programmi per la valutazione delle scelte fatte al fine di minimizzare le vibrazioni dei dispositivi.

La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Caratterizzazione geochimica dei sedimenti di alcuni siti di alimentazione e di riproduzione del Fenicottero (Phoenicopterus roseus) nel Mediterraneo

Il presente lavoro è stato avviato per caratterizzare dal punto di vista geochimico i siti di alimentazione e di riproduzione del Fenicottero ed ottenere così un dataset relativo alle concentrazioni di metalli nei sedimenti di alcune zone umide, utilizzate da questa specie per alimentarsi e riprodursi e scarsamente studiate in passato. Il lavoro di tesi qui presentato si è articolato in due differenti studi: • Un’indagine dettagliata sulla presenza e distribuzione di metalli ed elementi potenzialmente tossici nei sedimenti provenenti da alcune delle principali aree di alimentazione del Fenicottero nell’Alto Adriatico; • Un’indagine preliminare relativa ai metalli contenuti nei sedimenti provenienti da alcuni siti riproduttivi del Fenicottero nel Mediterraneo occidentale. Per quanto riguarda i siti di alimentazione sono state campionate tre zone umide dell’area deltizia del fiume Po: le Valli di Rosolina, Valle Bertuzzi e le Valli di Comacchio. Riguardo i siti riproduttivi sono state campionate cinque aree umide nel Mediterraneo occidentale: le Paludi dell’Odiel nel sud-ovest della Spagna, la Camargue in Francia, lo Stagno di Cagliari in Sardegna, le Valli di Comacchio in Emilia-Romagna e Valle Dogà in Laguna di Venezia. I 57 campioni raccolti sono stati analizzati mediante analisi XRF ed analisi termiche, presso il Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche e Ambientali, dell’Università di Bologna, e mediante analisi ICP-MS, presso l’AcmeLabs di Vancouver (Canada). Il complesso deltizio del fiume Po ha registrato concentrazioni anomale di Cd, Pb, Sb e Sn mostrando un generale arricchimento nei sedimenti delle aree umide investigate rispetto al valore di riferimento. Analizzando le correlazioni di questo elemento con le frazioni dei sedimenti, si è evidenziata una buona correlazione con la componente organica del sedimento. Ciò potrebbe indicare la presenza di fenomeni di adsorbimento di questo elemento ad opera della matrice organica. L’area di studio non è apparentemente interessata da importanti attività industriali, che potrebbero in parte spiegare le elevate concentrazioni di Cd, Pb, Sb e Sn. Due potenziali sorgenti antropogeniche di contaminazione sono rappresentate da un’estensiva attività agricola nelle zone limitrofe alle valli considerate e da un elevata pressione venatoria esercitata proprio all’interno di queste zone umide. In particolare, quest’ultima attività umana, potrebbe rappresentare una spiegazione più che plausibile per l’elevata presenza di Pb, messa in evidenza dallo studio, dato che fino ad pochissimi anni venivano utilizzate munizioni al Pb con conseguente rilascio in ambiente di ingenti quantitativi di questo metallo. Il Cu e lo Zn si distribuiscono invece in modo relativamente omogeneo nelle tre zone umide investigate, con un debole arricchimento di questi due elementi nei sedimenti delle Valli di Rosolina. Per quanto riguarda l’As, la sua distribuzione nell’area di studio, confrontata con i valori di background, non sembra sollevare particolare preoccupazione, cosi come la presenza di Hg in tutti e tre i siti investigati. Le Valli di Comacchio e Valle Bertuzzi sono inoltre caratterizzate da concentrazioni elevate di Cr e Ni, dati che confermano il naturale arricchimento di questi due elementi nell’area di studio evidenziato da un ampia letteratura e riconducibile ad apporti litologici provenienti dai depositi ofiolitici delle Alpi occidentali trasportati dal fiume Po verso l’Adriatico. Tuttavia, in alcuni campioni la concentrazione di Cr è molto superiore a quella caratteristica delle ofioliti di origine alpina, soprattutto per Valle Bertuzzi. Per spiegare queste anomalie sono necessarie indagini più approfondite sulla presenza e distribuzione di Cr nell’area di Comacchio e Bertuzzi. Riguardo ai 5 siti riproduttivi del Fenicottero, la colonia di Odiel (Spagna) si distingue per essere il sito maggiormente contaminato tra quelli investigati. Si sono infatti riscontrate elevate concentrazioni di As, Cu, Hg, Pb, Sb, Sn e Zn, se confrontate con quelle degli altri siti campionati. Questo risultato non sorprende. Il sito è infatti riconosciuto in letteratura come uno dei sistemi estuarini più inquinati dell’Europa occidentale, in quanto interessato dall’attività mineraria della IPB (Iberian Pyrite Belt), uno dei più importanti siti minerari mondiali, e dall’attività del polo industriale di Huelva. La colonia francese della Camargue si distingue invece per essere il sito meno impattato dall’attività antropica, non mostrando concentrazioni anomale per nessuno degli elementi in traccia analizzati. I sito riproduttivo situato nei pressi di Cagliari, in Sardegna, ha riportato elevate concentrazioni di Cd, Hg e Pb. La contaminazione di questo sito a seguito di ingenti scarichi di rifiuti industriali contenenti Hg e Pb a partire dagli anni ’60 è ben documentata in letteratura. Sebbene negli anni ’90 siano stati realizzati progetti di bonifica del sito, le concentrazioni ottenute nel presente studio sono ancora elevate suggerendo la possibilità che il processo di rimozione di Hg e Pb messo in atto in passato possa aver avuto scarsa efficacia. La colonia riproduttiva di Comacchio ha registrato concentrazioni elevate di Cr, Ni e Pb. Come già detto riguardo ai siti di alimentazione l’abbondanza di Cr e Ni nell’area è da ricondurre a fattori naturali, mentre le elevate concentrazioni di Pb non trovano riscontri in precedenti studi. La presenza di alcuni campioni con concentrazioni anomale di Cr e il generale arricchimento di Pb nel sito suggeriscono la necessità di studi più approfonditi e specifici sulla presenza di questi elementi nell’area di Comacchio. Infine, la colonia situata in Laguna di Venezia si caratterizza per avere concentrazioni relativamente elevate di Cd e Hg riconducibili all’attività del polo industriale di Porto Marghera, come già evidenziato da numerosi studi. Tuttavia, i dati del presente studio non confermano le concentrazioni anomale di Zn messe in evidenza da molti studi effettuati nell’intera laguna veneta. Ciò può trovare una spiegazione nel fatto che il sito indagato in questo studio corrisponde ad un piccola porzione dell’intera laguna, molto raramente investigato negli studi passati. Mediante il presente studio è stato quindi possibile implementare le scarse conoscenze geochimiche relative ai sedimenti di alcune zone umide frequentate dai fenicotteri nell’Alto Adriatico e, al contempo, mettere in luce alcune importanti criticità, in particolar modo riguardo Cd, Cr, Pb, Sb e Sn, la cui presenza e distribuzione nell’area dovrebbero essere ulteriormente investigate da studi futuri.