Morphological changes in convection-diffusion-limited deposition

The effect of hydrodynamic flow upon diffusion-limited deposition on a line is investigated using a Monte Carlo model. The growth process is governed by the convection and diffusion field. The convective diffusion field is simulated by the biased-random walker resulting from a superimposed drift that represents the convective flow. The development of distinct morphologies is found with varying direction and strength of drift. By introducing a horizontal drift parallel to the deposition plate, the diffusion-limited deposit changes into a single needle inclined to the plate. The width of the needle decreases with increasing strength of drift. The angle between the needle and the plate is about 45° at high flow rate. In the presence of an inclined drift to the plate, the convection-diffusion-limited deposit leads to the formation of a characteristic columnar morphology. In the limiting case where the convection dominates, the deposition process is equivalent to ballistic deposition onto an inclined surface.

Morphology and segregation in two-component diffusion-limited aggregation

A diffusion-limited-aggregation (DLA) model with two components (A and B species) is presented to investigate the structure of the composite deposits. The sticking probability PAB (=PBA) between the different species is introduced into the original DLA model. By using computer simulation it is shown that various patterns are produced with varying the sticking probabilities PAB (=PBA) and PAA (= PBB), where PAA (=PBB) is the sticking probability between the same species. Segregated patterns can be analyzed under the condition PAB < PAA, assumed throughout the paper. With decreasing sticking probability PAB, a clustering of the same species occurs. With sufficiently small values of both sticking probabilities PAB and PAA, the deposit becomes dense and the segregated patterns of the composite deposit show a striped structure. The effect of the concentration on the pattern morphology is also shown.

Effect of drift on segregation in two-component diffusion-limited aggregation

An effect of drift is investigated on the segregation pattern in diffusion-limited aggregation (DLA) with two components (A and B species). The sticking probability PAB (=PBA) between the different species is introduced into the DLA model with drift, where the sticking probability PAA (=PBB) between the same species equals 1. By using computer simulation it is found that the drift has an important effect on not only the morphology but also the segregation pattern. Under the drift and the small sticking probability, a characteristic pattern appears where elongated clusters of A species and of B species are periodically dispersed. The period decreases with increasing drift. The periodic structure of the deposits is characterized by an autocorrelation function. The shape of the cluster consisting of only A species (or B species) shows a vertically elongated filamentlike structure. Each cluster becomes vertically longer with decreasing sticking probability PAB. The segregation pattern is distinctly different from that with no drift and a small sticking probability PAA. The effect of the concentration on the segregation pattern is also shown.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Determination of density of states in PPS from space-charge-limited current measurements

Space-charge-limited currents measurements have been carried out on undoped amorphous poly p-phenylene sulfide. The scaling law is checked for different samples with varying thickness, and J-V data analyzed. The position of the quasi-Fermi level and the density of states was obtained.

Diffusion-limited contact formation in unfolded cytochrome c: estimating the maximum rate of protein folding.

How fast can a protein fold? The rate of polypeptide collapse to a compact state sets an upper limit to the rate of folding. Collapse may in turn be limited by the rate of intrachain diffusion. To address this question, we have determined the rate at which two regions of an unfolded protein are brought into contact by diffusion. Our nanosecond-resolved spectroscopy shows that under strongly denaturing conditions, regions of unfolded cytochrome separated by approximately 50 residues diffuse together in 35-40 microseconds. This result leads to an estimate of approximately (1 microsecond)-1 as the upper limit for the rate of protein folding.

Space charge limited current flow from a plane, plasma cathode,

"Prepared for the Air Force Ballistic Missile Division, Headquarters Air Research and Development Command, under contract AF 04(647)-309, Thermonuclear Propulsion Research."

Patch and whole of surface mass-transfer rate measurements on a stepped rotating cylinder electrode

A recently developed whole of surface electroplating technique was used to obtain mass-transfer rates in the separated flow region of a stepped rotating cylinder electrode. These data are compared with previously reported mass-transfer rates obtained with a patch electrode. It was found that the two methods yield different results, where at lower Reynolds numbers, the mass-transfer rate enhancement was noticeably higher for the whole of the surface electrode than for the patch electrode. The location of the peak mass transfer behind the step, as measured with a patch electrode, was reported to be independent of the Reynolds number in previous studies, whereas the whole of the surface electrode shows a definite Reynolds number dependence. Large eddy simulation results for the recirculating region behind a step are used in this work to show that this difference in behavior is related to the existence of a much thinner fluid layer at the wall for which the velocity is a linear junction of distance from the wall. Consequently, the diffusion layer no longer lies well within a laminar sublayer. It is concluded that the patch electrode responds to the wall shear stress for smooth wall flow as well as for the disturbed flow region behind the step. When the whole of the surface is electro-active, the response is to mass transfer even when this is not a sole function of wall shear stress. The results demonstrate that the choice of the mass-transfer measurement technique in corrosion studies can have a significant effect on the results obtained from empirical data.

Ice crystals growing from vapor in supercooled clouds between −2.5° and −22°C: testing current parameterization methods using laboratory data

The physical and empirical relationships used by microphysics schemes to control the rate at which vapor is transferred to ice crystals growing in supercooled clouds are compared with laboratory data to evaluate the realism of various model formulations. Ice crystal growth rates predicted from capacitance theory are compared with measurements from three independent laboratory studies. When the growth is diffusion- limited, the predicted growth rates are consistent with the measured values to within about 20% in 14 of the experiments analyzed, over the temperature range −2.5° to −22°C. Only two experiments showed significant disagreement with theory (growth rate overestimated by about 30%–40% at −3.7° and −10.6°C). Growth predictions using various ventilation factor parameterizations were also calculated and compared with supercooled wind tunnel data. It was found that neither of the standard parameterizations used for ventilation adequately described both needle and dendrite growth; however, by choosing habit-specific ventilation factors from previous numerical work it was possible to match the experimental data in both regimes. The relationships between crystal mass, capacitance, and fall velocity were investigated based on the laboratory data. It was found that for a given crystal size the capacitance was significantly overestimated by two of the microphysics schemes considered here, yet for a given crystal mass the growth rate was underestimated by those same schemes because of unrealistic mass/size assumptions. The fall speed for a given capacitance (controlling the residence time of a crystal in the supercooled layer relative to its effectiveness as a vapor sink, and the relative importance of ventilation effects) was found to be overpredicted by all the schemes in which fallout is permitted, implying that the modeled crystals reside for too short a time within the cloud layer and that the parameterized ventilation effect is too strong.

Bias-dependent photocurrent collection in p-i-n a-Si : H/SiC : H heterojunction

A series of large area single layers and glass/ZnO:AVp(SixC1-x:H)/i(Si:H)/n(SixC1-x:H)/AI (0 < x < 1) heterojunction cells were produced by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PE-CVD) at low temperature. Junction properties, carrier transport and photogeneration are investigated from dark and illuminated current-voltage (J-V) and capacitance-voltage (C-V) characteristics. For the heterojunction cells atypical J-V characteristics under different illumination conditions are observed leading to poor fill factors. High series resistances around 106 Q are also measured. These experimental results were used as a basis for the numerical simulation of the energy band diagram, and the electrical field distribution of the structures. Further comparison with the sensor performance gave satisfactory agreement. Results show that the conduction band offset is the most limiting parameter for the optimal collection of the photogenerated carriers. As the optical gap increases and the conductivity of the doped layers decreases, the transport mechanism changes from a drift to a diffusion-limited process.

Modélisation toxicocinétique du benzo(a)pyrène et 3-hydroxybenzo(a)pyrène pour l’interprétation des données de surveillance biologique de l’exposition chez les travailleurs

De nombreux travailleurs sont exposés aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le benzo(a)pyrène (BaP) fait partie de ce groupe de polluants. Cette substance a été classée cancérogène reconnu chez l’humain. Pour évaluer l'exposition aux HAP cancérogènes, plusieurs chercheurs ont proposé d’utiliser la mesure du 3-hydroxybenzo(a)pyrène (3-OHBaP) dans l’urine des travailleurs exposés. Dans le cadre du présent projet, deux approches de modélisation ont été développées et appliquées pour permettre une meilleure compréhension de la toxicocinétique du BaP et son biomarqueur d’intérêt actuel, le 3-OHBaP, et pour aider à interpréter les résultats de surveillance biologique. Un modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a été développé sur la base des données préalablement obtenues sur le rat par notre groupe. Selon le modèle, le BaP injecté par voie intraveineuse est rapidement distribué du sang vers les tissus (t½ ≈ 4 h), avec une affinité particulière pour les poumons et les composantes lipidiques des tissus. Le BaP est ensuite distribué vers la peau et le foie. Au foie, le BaP est promptement métabolisé et le 3-OHBaP est formé avec une demi-vie de ≈ 3 h. Le métabolisme pulmonaire du BaP a également été pris en compte, mais sa contribution à la cinétique globale du BaP a été jugée négligeable. Une fois formé, le 3-OHBaP est distribué vers les différents organes presque aussi rapidement que la molécule mère (t½ ≈ 2 h). Le profil temporel du 3-OHBaP dans le rein montre une accumulation transitoire en raison de la différence observée entre le taux d’entrée (t½ = 28 min) et le taux de sortie (t½ = 4,5 h). La clairance totale de 3-OHBaP du corps est principalement gouvernée par le taux de transfert de la bile vers le tractus gastro-intestinal (t½ ≈ 4 h). Le modèle toxicocinétique à plusieurs compartiments a réussi à simuler un ensemble indépendant de profils urinaires publiés sur le 3-OHBaP. Ce modèle toxicocinétique à compartiments s'est avéré utile pour la determination des facteurs biologiques déterminants de la cinétique du BaP et du 3-OHBaP. Par la suite, un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PCBP) reproduisant le devenir du BaP et du 3-OHBaP chez le rat a été construit. Les organes (ou tissus) représentés comme des compartiments ont été choisis en fonction de données expérimentales obtenues in vivo chez le rat. Les coefficients de partition, les coefficients de perméabilité, les taux de métabolisation, les paramètres d'excrétion, les fractions absorbées et les taux d'absorption pour différentes voies d’exposition ont été obtenus directement à partir des profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP. Les valeurs de ces derniers paramètres ont été calculées par des procédures Monte-Carlo. Des analyses de sensibilité ont ensuite été réalisées pour s’assurer de la stabilité du modèle et pour établir les paramètres les plus sensibles de la cinétique globale. Cette modélisation a permis d’identifier les facteurs déterminants de la cinétique: 1) la sensibilité élevée des paramètres de la métabolisation hépatique du BaP et du 3-OHBaP ainsi que du taux d'élimination; 2) la forte distribution du BaP dans les poumons par rapport à d'autres tissus; 3) la distribution considérable du BaP dans les tissus adipeux et le foie; 4) la forte distribution du 3-OHBaP dans les reins; 5) le transfert limité du BaP par la diffusion tissulaire dans les poumons; 6) le transfert limité du 3-OHBaP par la diffusion tissulaire dans les poumons, les tissus adipeux et les reins; 7) la recirculation entéro-hépatique significative du 3-OHBaP. Suite à des analyses de qualité des ajustements des équations du modèle aux données observées, les probabilités que les simulations reproduisent les données expérimentales par pur hasard se sont avérées toujours inférieures à 10% pour les quatre voies d’exposition : intraveineuse, orale, cutanée et respiratoire. Nous avons extrapolé les modèles cinétiques du rat à l’humain afin de se doter d’un outil permettant de reconstituer les doses absorbées chez des travailleurs exposés dans diverses industries à partir de mesures de l'évolution temporelle du 3-OHBaP dans leur urine. Les résultats de ces modélisations ont ensuite été comparés à ceux de simulations obtenues avec un modèle toxicocinétique à compartiment unique pour vérifier l’utilité comparative d’un modèle simple et complexe. Les deux types de modèle ont ainsi été construits à partir de profils sanguins, tissulaires, urinaires et fécaux du BaP et du 3-OHBaP sur des rats exposés. Ces données ont été obtenues in vivo par voie intraveineuse, cutanée, respiratoire et orale. Ensuite, les modèles ont été extrapolés à l’humain en tenant compte des déterminants biologiques essentiels des différences cinétiques entre le rat et l’humain. Les résultats ont montré que l'inhalation n'était pas la principale voie d'exposition pour plusieurs travailleurs étudiés. Les valeurs de concentrations de BaP dans l’air utilisées afin de simuler les profils d’excrétion urinaire chez les travailleurs étaient différentes des valeurs de concentrations de BaP mesurées dans l’air. Une exposition au BaP par voie cutanée semblait mieux prédire les profils temporels observés. Finalement, les deux types de modélisation se sont avérés utiles pour reproduire et pour interpréter les données disponibles chez des travailleurs.

Kinetics of interface state-limited hole injection in alpha-naphthylphenylbiphenyl diamine (alpha-NPD) thin layers

Injection-limited operation is identified in thin-film, alpha-NPD-based diodes. A detailed model for the impedance of the injection process is provided which considers the kinetics of filling/releasing of interface states as the key factor behind the injection mechanism. The injection model is able to simultaneously account for the steady-state, current-voltage (J-V) characteristics and impedance response. and is based on the sequential injection of holes mediated by energetically distributed surface states at the metal-organic interface. The model takes into account the vacuum level offset caused by the interface dipole, along with the partial shift of the interface level distribution with bias voltage. This approach connects the low-frequency (similar to 1 Hz) capacitance spectra, which exhibits a transition between positive to negative values, to the change in the occupancy of interface states with voltage. Simulations based on the model allow to derive the density of interface states effectively intervening in the carrier injection (similar to 5 x 10(12) cm(-2)), which exhibit a Gaussian-like distribution. A kinetically determined hole barrier is calculated at levels located similar to 0.4 eV below the contact work function. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Determination of carrier mobility in MEH-PPV thin-films by stationary and transient current techniques

Charge transport and shelf-degradation of MEH-PPV thin-films were investigated through stationary (e.g. current versus voltage - JxV) and transient (e.g. Time-of-Flight - ToF, Dark-Injection Space-Charge-Limited Current - DI-SCLC, Charge Extraction by Linearly Increasing Voltage - CELN) current techniques. Charge carrier mobility in nanometric films was best characterized through JxV and DI-SCLC. It approaches 10(-6) cm(2)Ns under a SCLC regime with deep traps for light-emitting diode applications. ToF measurements performed on micrometric layers (i.e. - 3 mu m) confirmed studies in 100 nm-thick films as deposited in OLEDs. All results were comparable to a similar poly(para-phenylene vinylene) derivative, MDMO-PPV. Electrical properties extracted from thin-film transistors demonstrated mobility dependence on carrier concentration in the channel (similar to 10(-7)-10(-4) cm(2)/Vs). At low accumulated charge levels and reduced free carrier concentration, a perfect agreement to the previously cited techniques was observed. Degradation was verified through mobility reduction and changes in trap distribution of states. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.