Protein-Ion Binding Process on Finite Macromolecular Concentration. A Poisson-Boltzmann and Monte Carlo Study

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Short-period variation of cosmic-ray intensity and ozone density observed in the stratosphere

The energy deposition by slowing-down of energetic ionizing particles in the atmosphere enhances the production of constituent concentration which perturbs and eventually destroys the ozone (OZ) layer. Near the Brazilian anomaly region the cosmic-ray (CR) intensity varies greatly due to the magnetic activity in that region. In order to study these variations, stratospheric balloons were launched to measure, simultaneously, the CR and OZ fluxes in the atmosphere. The Fourier-analysed data collected during the flight on April 22, 1989 show evidences of a short-period variation for both fluxes measured. Attempts to verify the physical mechanisms which associate the CR change with the OZ one are not conclusive due to limited data observed on that event. © 1993 Società Italiana di Fisica.

Técnicas avançadas para caracterização de processos de transporte dependente do Spin

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Melanin as an active layer in biosensors

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Amazon Rainforest Exchange of Carbon and Subcanopy Air Flow: Manaus LBA Site-A Complex Terrain Condition

On the moderately complex terrain covered by dense tropical Amazon Rainforest (Reserva Biologica do Cuieiras-ZF2-02 degrees 36'17.1 '' S, 60 degrees 12'24.4 '' W), subcanopy horizontal and vertical gradients of the air temperature, CO2 concentration and wind field were measured for the dry and wet periods in 2006. We tested the hypothesis that horizontal drainage flow over this study area is significant and can affect the interpretation of the high carbon uptake rates reported by previous works at this site. A similar experimental design as the one by Tota et al. (2008) was used with a network of wind, air temperature, and CO2 sensors above and below the forest canopy. A persistent and systematic subcanopy nighttime upslope (positive buoyancy) and daytime downslope (negative buoyancy) flow pattern on a moderately inclined slope (12%) was observed. The microcirculations observed above the canopy (38 m) over the sloping area during nighttime presents a downward motion indicating vertical convergence and correspondent horizontal divergence toward the valley area. During the daytime an inverse pattern was observed. The microcirculations above the canopy were driven mainly by buoyancy balancing the pressure gradient forces. In the subcanopy space the microcirculations were also driven by the same physical mechanisms but probably with the stress forcing contribution. The results also indicated that the horizontal and vertical scalar gradients (e. g., CO2) were modulated by these micro-circulations above and below the canopy, suggesting that estimates of advection using previous experimental approaches are not appropriate due to the tridimensional nature of the vertical and horizontal transport locally. This work also indicates that carbon budget from tower-based measurement is not enough to close the system, and one needs to include horizontal and vertical advection transport of CO2 into those estimates.

Beyond the diffraction limit of optical/IR interferometers I. Angular diameter and rotation parameters of Achernar from differential phases

Context. Spectrally resolved long-baseline optical/IR interferometry of rotating stars opens perspectives to investigate their fundamental parameters and the physical mechanisms that govern their interior, photosphere, and circumstellar envelope structures. Aims. Based on the signatures of stellar rotation on observed interferometric wavelength-differential phases, we aim to measure angular diameters, rotation velocities, and orientation of stellar rotation axes. Methods. We used the AMBER focal instrument at ESO-VLTI in its high-spectral resolution mode to record interferometric data on the fast rotator Achernar. Differential phases centered on the hydrogen Br gamma line (K band) were obtained during four almost consecutive nights with a continuous Earth-rotation synthesis during similar to 5h/night, corresponding to similar to 60 degrees position angle coverage per baseline. These observations were interpreted with our numerical code dedicated to long-baseline interferometry of rotating stars. Results. By fitting our model to Achernar's differential phases from AMBER, we could measure its equatorial radius R-eq = 11.6 +/- 0.3 R-circle dot, equatorial rotation velocity V-eq = 298 +/- 9 km s(-1), rotation axis inclination angle i = 101.5 +/- 5.2 degrees, and rotation axis position angle (from North to East) PA(rot) = 34.9 +/- 1.6 degrees. From these parameters and the stellar distance, the equatorial angular diameter circle divide(eq) of Achernar is found to be 2.45 +/- 0.09 mas, which is compatible with previous values derived from the commonly used visibility amplitude. In particular, circle divide(eq) and PA(rot) measured in this work with VLTI/AMBER are compatible with the values previously obtained with VLTI/VINCI. Conclusions. The present paper, based on real data, demonstrates the super-resolution potential of differential interferometry for measuring sizes, rotation velocities, and orientation of rotating stars in cases where visibility amplitudes are unavailable and/or when the star is partially or poorly resolved. In particular, we showed that differential phases allow the measurement of sizes up to similar to 4 times smaller than the diffraction-limited angular resolution of the interferometer.

Femtosecond laser-based investigations of magnetic circular dichroism in near-threshold photoemission

During the last decades magnetic circular dichroism (MCD) has attracted much interest and evolved into various experimental methods for the investigation of magnetic thin films. For example, synchrotron-based X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) displays the absolute values of spin and orbital magnetic moments. It thereby benefits from large asymmetry values of more than 30% due to the excitation of atomic core-levels. Similarly large values are also expected for threshold photoemission magnetic circular dichroism (TPMCD). Using lasers with photon energies in the range of the sample work function this method gives access to the occupied electronic structure close to the Fermi level. However, except for the case of Ni(001) there exist only few studies on TPMCD moreover revealing much smaller asymmetries than XMCD-measurements. Also the basic physical mechanisms of TPMCD are not satisfactorily understood. In this work we therefore investigate TPMCD in one- and two-photon photoemission (1PPE and 2PPE) for ferromagnetic Heusler alloys and ultrathin Co films using ultrashort pulsed laser light. The observed dichroism is explained by a non-conventional photoemission model using spin-resolved band-structure calculations and linear response theory. For the two Heusler alloys Ni2MnGa and Co2FeSi we give first evidence of TPMCD in the regime of two-photon photoemission. Systematic investigations concerning general properties of TPMCD in 1PPE and 2PPE are carried out at ultrathin Co films grown on Pt(111). Here, photon-energy dependent measurements reveal asymmetries of 1.9% in 1PPE and 11.7% in 2PPE. TPMCD measurements at decreased work function even yield larger asymmetries of 6.2% (1PPE) and 17% (2PPE), respectively. This demonstrates that enlarged asymmetries are also attainable for the TPMCD effect on Co(111). Furthermore, we find that the TPMCD asymmetry is bulk-sensitive for 1PPE and 2PPE. This means that the basic mechanism leading to the observed dichroism must be connected to Co bulk properties; surface effects do not play a crucial role. Finally, the enhanced TPMCD asymmetries in 2PPE compared to the 1PPE case are traced back to the dominant influence of the first excitation step and the existence of a real intermediate state. The observed TPMCD asymmetries cannot be interpreted by conventional photoemission theory which only considers direct interband transitions in the direction of observation (Γ-L). For Co(111), these transitions lead to evanescent final states. The excitation to such states, however, is incompatible with the measured bulk-sensitivity of the asymmetry. Therefore, we generalize this model by proposing the TPMCD signal to arise mostly from direct interband transitions in crystallographic directions other than (Γ-L). The necessary additional momentum transfer to the excited electrons is most probably provided by electron-phonon or -magnon scattering processes. Corresponding calculations on the basis of this model are in reasonable agreement with the experimental results so that this approach represents a promising tool for a quantitative description of the TPMCD effect. The present findings encourage an implementation of our experimental technique to time- and spatially-resolved photoemission electron microscopy, thereby enabling a real time imaging of magnetization dynamics of single excited states in a ferromagnetic material on a femtosecond timescale.

Automatische objektive Identifikation und Berechnung der Eigenschaften von Rossbywellenzügen

In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, die Rossbywellenzüge automatisch identifiziert und und deren Eigenschaften quantifiziert. Mit dieser Methode wird der Wellenzug als eine Einheit in Raum und Zeit interpretiert. Einheit im Raum heißt, dass nicht die einzelnen Tröge und Rücken eines Wellenzugs betrachtet werden, sondern deren Einhüllende. Einheit in der Zeit bedeutet, dass der Wellenzug nicht nur zu einem Zeitpunkt betrachtet wird, sondern über seine gesamte Lebensdauer hinweg. Um den Wellenzug als räumliche und zeitliche Einheit zu erhalten, werden die Einhüllenden der Wellenzüge in Längengrad-Zeit Diagrammen, sogenannten Hovmöllerdiagrammen, betrachtet. Dort werden zusammenhängende Regionen als Objekte, die jeweils einen Wellenzug repräsentieren, identifiziert. Deren Eigenschaften werden dann automatisch berechnet. Diese Eigenschaften können nun direkt dem zugrunde liegenden Rossbywellenzug zugeordnet werden.rnDie neue Methode wird in zwei verschiedenen Szenarien angewendet: erstens zur Beurteilung der Vorhersagequalität eines einzelnen Rossbywellenzugs und zweitens für die klimatologische Betrachtung von Rossbywellenzügen im ERA-40 Reanalysedatensatz. Sie wurde weiterhin mit bisher verwendeten Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen verglichen.rnDie Untersuchung der Vorhersagequalität ergab, dass in dem betrachteten Fall die Übereinstimmung der Vorhersage mit der Analyse des Wellenzugs gering war, sofern das Modell initialisiert wurde, bevor der Rossbywellenzug eingesetzt hatte. Im Gegensatz dazu nahm die Vorhersagequalität deutlich zu, wenn der Wellenzug bereits in den Vorhersagedaten enthalten war. Dies deutet darauf hin, dass es in dem vorliegenden Fall problematisch ist, mit dem Modell den Auslösemechanismus korrekt voherzusagen. Für die weitere Untersuchung der Vorhersagequalität wurde eine spezielle Art der Darstellung der Daten verwendet, mit deren Hilfe deutlich wurde, dass das verwendete Modell in der Lage ist, diesen Wellenzug ungefähr sechs Tage im Voraus vorherzusagen. Diese Zeitspanne ist deutlich kürzer als die Lebensdauer des Wellenzugs, die etwa 10 Tage beträgt.rnIm Rahmen der klimatologischen Studie ergab sich eine positive Korrelation zwischen der Lebensdauer eines Rossbywellenzugs und des Bereichs den dieser Wellenzug während seiner gesamten Existenz in zonaler Richtung überstreicht. Für Wellenzüge mit einer kurzen Lebensdauer ergab sich eine ebenfalls positive Korrelation zwischen der mittleren Amplitude und der Dauer des Wellenzugs. Für eine längere Lebensdauer geht diese Korrelation aber in eine Sättigung über und die mittlere Amplitude steigt nicht mehr weiter an. Als eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten wird angeführt, dass eine gewisse Stärke der Amplitude benötigt wird um stromabwärtige Entwicklung zu erhalten aber zu große Amplituden im Allgemeinen zum Brechen der Welle führen. Das Brechen leitet den letzten Abschnitt im Lebenszyklus eines Rossbywellenzuges ein, welcher im Anschluss meist zerfällt. Ein weiteres Ergebnis der klimatologischen Untersuchung ist das Auffinden bevorzugter Regionen der Entstehung und des Abklingens von Rossbywellenzügen. Diese Regionen unterscheiden sich erheblich für Rossbywellenzüge unterschiedlicher minimaler Lebensdauer. Langlebige Rossbywellenzüge entstehen demnach hauptsächlich über Ostasien und dem Westpazifik und vergehen dann über Europa.rnSchließlich wurde die entwickelte Methode in einen systematischen Vergleich anderer Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen eingereiht. Die betrachteten Methoden beinhalten verschiedene Trog-und-Rücken Hovmöllerdiagramme des Meridionalwindes, Methoden die Rossbywellenzüge als eine Einheit identifizieren und Methoden die den Beitrag verschiedener physikalischer Aspekte zu der Entwicklung von Rossbywellenenzügen quantifizieren. Der Vergleich macht deutlich, dass jede Methode ihre individuellen Stärken und Schwächen hat. Dies bedeutet insbesondere, dass die Eignung der Methode von dem Stadium des Lebenszyklus, in dem sich der Rossbywellenzug befindet und dem Fokus, den man bei der Betrachtung hat, abhängt. Ideal ist eine Kombination mehrerer Methoden, da dies ein vollständigeres Bild eines Rossbywellenzuges ergibt als einzelne Methoden es zu liefern vermögen. Obwohl alle Methoden für die Anwendungen, für die sie jeweils konzipiert wurden, geeignet sind, ergeben sich bei der Diagnose der Rossbywellenzüge beträchtliche Unterschiede. Letztendlich stellt sich heraus, dass sogar die Defintion eines Rossbywellenzugs bis zu einem gewissen Grad von der zu seiner Identifizierung verwendeten Methode abhängt.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

STOCHASTIC CHARGE TRANSPORT IN MULTI-ISLAND SINGLE-ELECTRON TUNNELING DEVICES

The physics of the operation of singe-electron tunneling devices (SEDs) and singe-electron tunneling transistors (SETs), especially of those with multiple nanometer-sized islands, has remained poorly understood in spite of some intensive experimental and theoretical research. This computational study examines the current-voltage (IV) characteristics of multi-island single-electron devices using a newly developed multi-island transport simulator (MITS) that is based on semi-classical tunneling theory and kinetic Monte Carlo simulation. The dependence of device characteristics on physical device parameters is explored, and the physical mechanisms that lead to the Coulomb blockade (CB) and Coulomb staircase (CS) characteristics are proposed. Simulations using MITS demonstrate that the overall IV characteristics in a device with a random distribution of islands are a result of a complex interplay among those factors that affect the tunneling rates that are fixed a priori (e.g. island sizes, island separations, temperature, gate bias, etc.), and the evolving charge state of the system, which changes as the source-drain bias (VSD) is changed. With increasing VSD, a multi-island device has to overcome multiple discrete energy barriers (up-steps) before it reaches the threshold voltage (Vth). Beyond Vth, current flow is rate-limited by slow junctions, which leads to the CS structures in the IV characteristic. Each step in the CS is characterized by a unique distribution of island charges with an associated distribution of tunneling probabilities. MITS simulation studies done on one-dimensional (1D) disordered chains show that longer chains are better suited for switching applications as Vth increases with increasing chain length. They are also able to retain CS structures at higher temperatures better than shorter chains. In sufficiently disordered 2D systems, we demonstrate that there may exist a dominant conducting path (DCP) for conduction, which makes the 2D device behave as a quasi-1D device. The existence of a DCP is sensitive to the device structure, but is robust with respect to changes in temperature, gate bias, and VSD. A side gate in 1D and 2D systems can effectively control Vth. We argue that devices with smaller island sizes and narrower junctions may be better suited for practical applications, especially at room temperature.

Tropical cyclone-related socio-economic losses in the western North Pacific region

The western North Pacific (WNP) is the area of the world most frequently affected by tropical cyclones (TCs). However, little is known about the socio-economic impacts of TCs in this region, probably because of the limited relevant loss data. Here, loss data from Munich RE's NatCatSERVICE database is used, a high-quality and widely consulted database of natural disasters. In the country-level loss normalisation technique we apply, the original loss data are normalised to present-day exposure levels by using the respective country's nominal gross domestic product at purchasing power parity as a proxy for wealth. The main focus of our study is on the question of whether the decadal-scale TC variability observed in the Northwest Pacific region in recent decades can be shown to manifest itself economically in an associated variability in losses. It is shown that since 1980 the frequency of TC-related loss events in the WNP exhibited, apart from seasonal and interannual variations, interdecadal variability with a period of about 22 yr – driven primarily by corresponding variations of Northwest Pacific TCs. Compared to the long-term mean, the number of loss events was found to be higher (lower) by 14% (9%) in the positive (negative) phase of the decadal-scale WNP TC frequency variability. This was identified for the period 1980–2008 by applying a wavelet analysis technique. It was also possible to demonstrate the same low-frequency variability in normalised direct economic losses from TCs in the WNP region. The identification of possible physical mechanisms responsible for the observed decadal-scale Northwest Pacific TC variability will be the subject of future research, even if suggestions have already been made in earlier studies.

Millennial to orbital-scale variations of drought intensity in the Eastern Mediterranean

Millennial to orbital-scale rainfall changes in the Mediterranean region and corresponding variations in vegetation patterns were the result of large-scale atmospheric reorganizations. In spite of recent efforts to reconstruct this variability using a range of proxy archives, the underlying physical mechanisms have remained elusive. Through the analysis of a new high-resolution sedimentary section from Lake Van (Turkey) along with climate modeling experiments, we identify massive droughts in the Eastern Med- iterranean for the past four glacial cycles, which have a pervasive link with known intervals of enhanced North Atlantic glacial iceberg calving, weaker Atlantic Meridional Overturning Circulation and Dansgaard-Oeschger cold conditions. On orbital timescales, the topographic effect of large Northern Hemisphere ice sheets and periods with minimum insolation seasonality further exacerbated drought intensities by suppressing both summer and winter precipitation.

Global models of planet formation and evolution

Despite the strong increase in observational data on extrasolar planets, the processes that led to the formation of these planets are still not well understood. However, thanks to the high number of extrasolar planets that have been discovered, it is now possible to look at the planets as a population that puts statistical constraints on theoretical formation models. A method that uses these constraints is planetary population synthesis where synthetic planetary populations are generated and compared to the actual population. The key element of the population synthesis method is a global model of planet formation and evolution. These models directly predict observable planetary properties based on properties of the natal protoplanetary disc, linking two important classes of astrophysical objects. To do so, global models build on the simplified results of many specialized models that address one specific physical mechanism. We thoroughly review the physics of the sub-models included in global formation models. The sub-models can be classified as models describing the protoplanetary disc (of gas and solids), those that describe one (proto)planet (its solid core, gaseous envelope and atmosphere), and finally those that describe the interactions (orbital migration and N-body interaction). We compare the approaches taken in different global models, discuss the links between specialized and global models, and identify physical processes that require improved descriptions in future work. We then shortly address important results of planetary population synthesis like the planetary mass function or the mass-radius relationship. With these statistical results, the global effects of physical mechanisms occurring during planet formation and evolution become apparent, and specialized models describing them can be put to the observational test. Owing to their nature as meta models, global models depend on the results of specialized models, and therefore on the development of the field of planet formation theory as a whole. Because there are important uncertainties in this theory, it is likely that the global models will in future undergo significant modifications. Despite these limitations, global models can already now yield many testable predictions. With future global models addressing the geophysical characteristics of the synthetic planets, it should eventually become possible to make predictions about the habitability of planets based on their formation and evolution.

Long wave theory for experimental devices with compressed/expanded surfactant monolayers

Surfactant monolayers are of interest in a variety of phenomena, including thin film dynamics and the formation and dynamics of foams. Measurement of surface properties has received a continuous attention and requires good theoretical models to extract the relevant physico- chemical information from experimental data. A common experimental set up consists in a shallow liquid layer whose free surface is slowly com- pressed/expanded in periodic fashion by moving two slightly immersed solid barriers, which varies the free surface area and thus the surfactant concentration. The simplest theory ignores the fluid dynamics in the bulk fluid, assuming spatially uniform surfactant concentration, which requires quite small forcing frequencies and provides reversible dynamics in the compression/expansion cycles. Sometimes, it is not clear whether depar- ture from reversibility is due to non-equilibrium effects or to the ignored fluid dynamics. Here we present a long wave theory that takes the fluid dynamics and the symmetries of the problem into account. In particular, the validity of the spatially-uniform-surfactant-concentration assumption is established and a nonlinear diffusion equation is derived. This allows for calculating spatially nonuniform monolayer dynamics and uncovering the physical mechanisms involved in the surfactant behavior. Also, this analysis can be considered a good means for extracting more relevant information from each experimental run.

Nonlinear Dynamics in experimental devices with compressed/expanded surfactant monolayers

A theory is provided for a common experimental set up that is used to measure surface properties in surfactant monolayers. The set up consists of a surfactant monolayer (over a shallow liquid layer) that is compressed/expanded in a periodic fashion by moving in counter-phase two parallel, slightly immersed solid barriers, which vary the free surface area and thus the surfactant concentration. The simplest theory ignores the fluid dynamics in the bulk fluid, assuming spatially uniform surfactant concentration, which requires quite small forcing frequencies and provides reversible dynamics in the compression/expansion cycles. In this paper, we present a long-wave theory for not so slow oscillations that assumes local equilibrium but takes the fluid dynamics into account. This simple theory uncovers the physical mechanisms involved in the surfactant behavior and allows for extracting more information from each experimental run. The conclusion is that the fluid dynamics cannot be ignored, and that some irreversible dynamics could well have a fluid dynamic origin