GRADIENT CORRECTIONS IN DENSITY-FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS FOR SURFACES - CO ON PD(110)

Ab initio total energy calculations have been performed for CO chemisorption on Pd(110). Local density approximation (LDA) calculations yield chemisorption energies which are significantly higher than experimental values but inclusion of the generalised gradient approximation (GGA) gives better agreement. In general, sites with higher coordination of the adsorbate to surface atoms lead to a larger degree of overbinding with LDA, and give larger corrections with GGA. The reason is discussed using a first-order perturbation approximation. It is concluded that this may be a general failure of LDA for chemisorption energy calculations. This conclusion may be extended to many surface calculations, such as potential energy surfaces for diffusion.

Energy and energy flux in axisymmetric slow and fast waves

Aims: We aim to calculate the kinetic, magnetic, thermal, and total energy densities and the flux of energy in axisymmetric sausage modes. The resulting equations should contain as few parameters as possible to facilitate applicability for different observations. 

Methods: The background equilibrium is a one-dimensional cylindrical flux tube model with a piecewise constant radial density profile. This enables us to use linearised magnetohydrodynamic equations to calculate the energy densities and the flux of energy for axisymmetric sausage modes. 

Results: The equations used to calculate the energy densities and the flux of energy in axisymmetric sausage modes depend on the radius of the flux tube, the equilibrium sound and Alfvén speeds, the density of the plasma, the period and phase speed of the wave, and the radial or longitudinal components of the Lagrangian displacement at the flux tube boundary. Approximate relations for limiting cases of propagating slow and fast sausage modes are also obtained. We also obtained the dispersive first-order correction term to the phase speed for both the fundamental slow body mode under coronal conditions and the slow surface mode under photospheric conditions.

Assessment of the Activity of Photocatalytic Paint Using a Simple Smart Ink Designed for High Activity Surfaces

The use of an acid violet 7 (AV7) smart ink to assess the activity of photocatalytic paint is demonstrated. A linear correlation is established between the change in oxidized dye concentration, as measured by diffuse reflectance, and the change in the green component of the RGB color values, obtained using a portable hand-held scanner, suggesting that such tests can be monitored easily using an inexpensive piece of hand-held office equipment, as opposed to an expensive lab-based instrument, such as a diffuse reflectance UV/vis spectrophotometer. The bleaching of the AV7 follows first order kinetics, at a rate that is linearly dependent upon the UVA irradiance (0.30–3.26 mW cm–2). A comparison of relative rate of bleaching of the AV7 ink with the relative rate of removal of NOx, as determined using the ISO test (ISO 22197-1:2007), established a linear relationship between the two sets of results and the relevance of this correlation is discussed briefly.

Received Signal Characteristics of the Indoor Off-Body Communications Channel at 5.8 GHz

In this paper we investigate the received signal characteristics of a mobile chest-worn transmitter at 5.8 GHz within a high multipath indoor environment. The off-body channel measurements considered both the co- and cross-polarized received signal for both line-of-sight (LOS) and non-LOS (NLOS) conditions. A straightforward channel model based upon the estimated path loss, a lognormal slow fading component and Ricean small-scale fading contribution is developed and used to perform simulations which allow the generation of first order received signal power characteristics.

Re-inoculation of autoclaved soil as a non-sterile treatment for xenobiotic sorption and biodegradation studies

Autoclaved soil is commonly used for the study of xenobiotic sorption and as an abiotic control in biodegradation experiments. Autoclaving has been reported to alter soil physico-chemical and xenobiotic sorption characteristics such that comparison of autoclaved with non-autoclaved treatments in soil aging and bioavailability studies may yield misleading results. Experiments could be improved by using autoclaved soil re-inoculated with indigenous microorganisms as an additional or alternative non-sterile treatment for comparison with the sterile, autoclaved control. We examined the effect of autoclaving (3 x 1 h, 121°C, 103.5 KPa) on the physico-chemical properties of a silt loam soil (pH 7.2, 2.3% organic carbon) and the establishment of indigenous microorganisms reintroduced after autoclaving. Sterilisation by autoclaving significantly (p ≤ 0.05) decreased pH (0.6 of a unit) and increased concentrations of water-soluble organic carbon (WSOC; nontreated = 75 mg kg^-1; autoclaved = 1526 mg kg^-1). The initial first-order rate of ¹⁴C-2,4-dichloro-UL-phenol (2,4-DCP) adsorption to non-treated, autoclaved and re-inoculated soil was rapid (K₁ = 16.8-24.4 h^-1) followed by a slower linear phase (K₂). In comparison with autoclaved soil (0.038% day^-1), K₂ values were higher for re-inoculated (0.095% day^-1) and nontreated (0.181% day^-1) soil. This was attributed to a biological process. The Freundlich adsorption coefficient (K(f)) for autoclaved soil was significantly (p ≤ 0.05) higher than for re-inoculated or non-treated soil. Increased adsorption was attributed to autoclaving-induced changes to soil pH and solution composition. Glucose-induced respiration of autoclaved soil after re-inoculation was initially twice that in the non-treated control, but it decreased to control levels by day 4. This reduction corresponded to a depletion of WSOC. 2,4-DCP mineralisation experiments revealed that the inoculum of nonsterile soil (0.5 g) contained 2,4-DCP-degrading microorganisms capable of survival in autoclaved soil. The lag phase before detection of significant 2,4-DCP mineralisation was reduced (from 7 days to ≤3 days) by pre-incubation of re-inoculated soils for 7 and 14 days before 2,4-DCP addition. This was attributed to the preferential utilisation of WSOC prior to the onset of 2,4-DCP mineralisation. Cumulative ¹⁴CO₂ evolved after 21 days was significantly lower (p ≤ 0.05) from non-treated soil (25.3%) than re-inoculated soils (ca 45%). Experiments investigating sorption-biodegradation interactions of xenobiotics in soil require the physico-chemical properties of sterile and non-sterile treatments to be as comparable as possible. For fundamental studies, we suggest using re-inoculated autoclaved soil as an additional or alternative non-sterile treatment.

Power Capping: What Works, What Does Not

Peak power consumption is the first order design constraint of data centers. Though peak power consumption is rarely, if ever, observed, the entire data center facility must prepare for it, leading to inefficient usage of its resources. The most prominent way for addressing this issue is to limit the power consumption of the data center IT facility far below its theoretical peak value. Many approaches have been proposed to achieve that, based on the same small set of enforcement mechanisms, but there has been no corresponding work on systematically examining the advantages and disadvantages of each such mechanism. In the absence of such a study,it is unclear what is the optimal mechanism for a given computing environment, which can lead to unnecessarily poor performance if an inappropriate scheme is used. This paper fills this gap by comparing for the first time five widely used power capping mechanisms under the same hardware/software setting. We also explore possible alternative power capping mechanisms beyond what has been previously proposed and evaluate them under the same setup. We systematically analyze the strengths and weaknesses of each mechanism, in terms of energy efficiency, overhead, and predictable behavior. We show how these mechanisms can be combined in order to implement an optimal power capping mechanism which reduces the slow down compared to the most widely used mechanism by up to 88%. Our results provide interesting insights regarding the different trade-offs of power capping techniques, which will be useful for designing and implementing highly efficient power capping in the future. 

Kinetics of methylene blue (MB) photocatalyzed reduction and dark regeneration in a colorimetric oxygen sensor

Performance data for a dye based, regenerable oxygen sensor (Mills and Lawrie [1], Mills et al. [2]) are analyzed to develop useful kinetic models for sensor photoactivation (dye reduction) and dark, oxygen detection (dye oxidation). The titania loaded, thin film sensor exhibits an apparent first order photoactivation of the dye, which we demonstrate (Section 3.2 and Fig. 4) is due to a kinetic disguise of a zero order photoreaction occurring through a non-uniformly illuminated sensor film. The observed zero order, slow recovery due to dye oxidation by dioxygen (O2 detection) appears best rationalized by a model assuming a near O2-impermeable skin developing on the sensor surface as solvent is evaporatively removed following sensor film casting and curing.

Multi-scale dynamics on the Eastern Brazilian margin

Este trabalho combina esforços de simulação numérica e de análise de dados para investigar a dinâmica em diversos compartimentos (oceano aberto, plataforma continental e zona costeira-estuarina) e, em multiplas escalas, na Margem Continental Leste Brasileira (MCLB). A circulação de largo e mesoescala espacial e a propagação da maré barotrópica são investigadas através de uma configuração aninhada do modelo numérico ROMS. O estudo da dinâmica regional da Baía de Camamu (CMB) baseia-se na análise de dados locais. A MCLB, localizada a SW do Atlântico Sul entre 8±S e 20±S, possui plataforma estreita, batimetria complexa, e baixa produtividade primária. A sua dinâmica é influenciada pela divergência da Corrente Sul Equatorial (CSE). As simulações refletem as conexões sazonais e espaciais entre a Corrente do Brasil e a Contra Corrente Norte do Brasil , em conexão com a dinâmica da CSE. As simulações revelam atividades vorticais nas proximidades da costa e interações com a dinâmica costeira, cujos padrões são descritos. A validação do modelo em mesoescala é baseada em cálculos de energia cinética turbulenta e em dados históricos de transporte. A CMB, localizada a 13±400S, abriga uma comunidade piscatória tradicional e extenso de manguezal. Situa-se porém sobre uma bacia sedimentar com grande reservas de óleo e gás, estando em tensão permanente de impacto ambiental. Neste trabalho sumarizamos as condições físicas regionais e investigamos sua dinâmica interna, focando sua variabilidade em amostragens realizadas sob condições de seca (Setembro de 2004) e de chuva (Julho de 2005). Finalmente, o modelo numérico ROMS é forçado com o sinal de maré, empregando-se uma configuração simples (com coeficientes de atrito de fundo constantes e condições hidrográficas homogéneas), com o intuito de avaliar sua resposta e investigar a natureza da propagação da maré barotrópica na MCLB, convergindo na CMB. A análise da resposta do modelo à maré basea-se em séries históricas do nível do mar para a MCLB e dados recentes da CMB.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Teoria da mente, linguagem e competências sociais em crianças ao nível pré-escolar

A compreensão dos estados mentais dos outros – Teoria da Mente (TM) – é um processo crucial no desenvolvimento cognitivo e social. A relação entre a Teoria da Mente e a Linguagem tem sido alvo de vários estudos ao longo das últimas décadas (Happé, 1995; de Villiers & Villiers, 2000; Astington, 2001; Ruffman et al., 2002; Lohmann & Tomasello, 2003; Astington & Baird, 2005; Astington & Pelletier, 2005; Farrar et al, 2009). Neste estudo avaliaram-se 229 crianças entre os 3 e os 7 anos que frequentavam jardim-de-infância. Destas 229 crianças, foram constituídos dois grupos, um constituído por crianças com desenvolvimento típico (GN) e outra por crianças com Perturbações da Fala/ Linguagem (GPFL), sendo que neste último foi ainda criado um sub-grupo de crianças com Perturbações Desenvolvimentais da Linguagem (SGPDL). Foi aplicado um teste de avaliação da TM, constituído por três sub-testes (Compreensão de falsas crenças de primeira ordem, crenças e desejos e acesso ao conhecimento) e um teste de avaliação de linguagem (T.A.L.C.) Foi também pedido aos cuidadores o preenchimento de um Questionário de Avaliação das Competências Sociais (Rydell et al., 1997). Verificou-se a existência de uma associação positiva e significativa entre a idade e a TM. Por outro lado, observou-se a presença de uma associação negativa e significativa entre a idade de início de fala e a TM. De uma forma geral, verifica-se que a TM está associada de forma positiva e estatisticamente significativa com os scores da linguagem, sendo esta relação mais forte relativamente aos aspectos relativos às Intenções comunicativas e score total de Expressão e Compreensão da linguagem. Vimos também que as crianças do SGPDL apresentaram scores inferiores ao nível da TM relativamente ao GN. Encontramos diferenças estatisticamente significativas em relação ao tempo de duração da prova de TM entre o GN e o GPFL, tendo estes últimos necessitado de maior tempo de resposta. Relativamente à associação existente entre competências sociais e TM, verificamos que não se encontrou a existência de correlações estatisticamente significativas, excepto para o factor “Altruísmo”. Pensa-se que este aspecto estará relacionado com o facto das competências de TM avaliadas neste estudo não se encontrarem associadas às questões emocionais, as quais constituem um sub-tipo de TM do tipo afectivo, mas antes do sub-tipo cognitivo. Os indivíduos GN apresentaram valores para a “Orientação Pró-Social”, “Iniciação Social” e score Total das Competências Sociais significativamente superiores às crianças do GPFL.

Machine learning techniques for music information retrieval

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

Detection of Incipient Thermal Damage Of Carbon Fiber/Epoxy Composites Using Fluorescent Thermal Damage Probes

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

MASH structures for bandpass sigma-delta modulators

The paper presents simulation results from investigating the behaviour of multistage (MASH) oversampled bandpass sigma-delta (Σ-Δ) modulators for use in analogue to digital converters for high frequency narrowband applications such as the signals out of the intermediate frequency (IF) section of a superheterodyne radio receiver. The bandpass configurations under consideration have in their loop filter a cascade of second-order resonator structures in order to achieve acceptable noise shaping. The quantisation noise in each stage is suppressed by feeding the error of each section into the input of the following stages. It is demonstrated that the triple effective-first-order bandpass MASH structure has significantly better performance compared with the effective-second-order effective-first-order bandpass MASH structure.

Enhanced bio-decolourisation of acid orange 7 by Shewanella oneidensis through co-metabolism in a microbial fuel cell

The decolourisation of acid orange 7 (AO7) (C.I.15510) through co-metabolism in a microbial fuel cell by Shewanella oneidensis strain 14063 was investigated with respect to the kinetics of decolourisation, extent of degradation and toxicity of biotransformation products. Rapid decolourisation of AO7 (>98% within 30 h) was achieved at all tested dye concentrations with concomitant power production. The aromatic amine degradation products were recalcitrant under tested conditions. The first-order kinetic constant of decolourisation (k) decreased from 0.709 ± 0.05 h−1 to 0.05 ± 0.01 h−1 (co-substrate – pyruvate) when the dye concentration was raised from 35 mg l−1 to 350 mg l−1. The use of unrefined co-substrates such as rapeseed cake, corn-steep liquor and molasses also indicated comparable or better AO7 decolourisation kinetic constant values. The fully decolourised solutions indicated increased toxicity as the initial AO7 concentration was increased. This work highlights the possibility of using microbial fuel cells to achieve high kinetic rates of AO7 decolourisation through co-metabolism with concomitant electricity production and could potentially be utilised as the initial step of a two stage anaerobic/aerobic process for azo dye biotreatment.

Uncertainty assessment approach for composite structures based on global sensitivity indices

The problem of uncertainty propagation in composite laminate structures is studied. An approach based on the optimal design of composite structures to achieve a target reliability level is proposed. Using the Uniform Design Method (UDM), a set of design points is generated over a design domain centred at mean values of random variables, aimed at studying the space variability. The most critical Tsai number, the structural reliability index and the sensitivities are obtained for each UDM design point, using the maximum load obtained from optimal design search. Using the UDM design points as input/output patterns, an Artificial Neural Network (ANN) is developed based on supervised evolutionary learning. Finally, using the developed ANN a Monte Carlo simulation procedure is implemented and the variability of the structural response based on global sensitivity analysis (GSA) is studied. The GSA is based on the first order Sobol indices and relative sensitivities. An appropriate GSA algorithm aiming to obtain Sobol indices is proposed. The most important sources of uncertainty are identified.