The impact of variable sea ice roughness on changes in Arctic Ocean surface stress: a model study

The Arctic sea ice cover is thinning and retreating, causing changes in surface roughness that in turn modify the momentum flux from the atmosphere through the ice into the ocean. New model simulations comprising variable sea ice drag coefficients for both the air and water interface demonstrate that the heterogeneity in sea ice surface roughness significantly impacts the spatial distribution and trends of ocean surface stress during the last decades. Simulations with constant sea ice drag coefficients as used in most climate models show an increase in annual mean ocean surface stress (0.003 N/m2 per decade, 4.6%) due to the reduction of ice thickness leading to a weakening of the ice and accelerated ice drift. In contrast, with variable drag coefficients our simulations show annual mean ocean surface stress is declining at a rate of -0.002 N/m2 per decade (3.1%) over the period 1980-2013 because of a significant reduction in surface roughness associated with an increasingly thinner and younger sea ice cover. The effectiveness of sea ice in transferring momentum does not only depend on its resistive strength against the wind forcing but is also set by its top and bottom surface roughness varying with ice types and ice conditions. This reveals the need to account for sea ice surface roughness variations in climate simulations in order to correctly represent the implications of sea ice loss under global warming.

Microcantilever arrays functionalised with spiropyran photoactive moieties as systems to measure photo-induced surface stress changes

[EN] Herein we investigate the feasibility of detecting photo-induced surface stress changes using the deflection response of cantilevers. For this purpose, silicon microcantilevers have been functionalised with spiropyran photochromic molecules, using both a monolayer and a polymeric brushes approach. Uponultraviolet light irradiation, the spiropyran unit is converted to the merocyanine form due to the photo-induced cleavage of the Cspiro-O bond. The two forms of the molecule have dramatically different charge,polarity and molecular conformations. This makes spiropyrans an ideal system to study the correlation between photo-induced molecular changes and corresponding changes in surface stress. Our investigations include monitoring the changes in static cantilever deflection, and consequently, surface stress of the spiropyran functionalised cantilevers on exposure to ultraviolet light. Cantilever deflection data reveals that ultraviolet induced conformational changes in the spiropyran moiety cause a change incompressive surface stress and this varies with the type of functionalisation method implemented. The change in surface stress response from the spiropyran polymer brushes functionalised cantilevers gives an average surface stress change of 98 Nm−1(n = 24) while the spiropyran monolayer coated cantilevers have an average surface stress change of about 446 Nm−1(n = 8) upon irradiation with UV light.

Structure and stress of Re(11%21); chiral terraces at a racemic surface

The surface structure and morphology of the clean Re(11%21) surface has been investigated through combined low energy electron diffraction intensity analysis of data taken at multiple angles of incidence, scanning tunneling microscopy, and first-principles density functional calculations. The results show how this globally racemic surface terminates in two chirally distinct terraces, which show largescale out-of-plane atomic relaxations and in-plane lateral movement of the uppermost atoms. We further identify and discuss the initial stages of step bunching upon adsorption of oxygen that leads ultimately to the large-scale faceting of the surface. Finally, we present calculations of surface stress and the response to applied surface strain, which suggest routes to the exertion of control over the expression of chirality at the surface.

A critical assessment of unbalanced surface stresses: Some complementary considerations

The wide-ranging survey of twisted growth in polymers by Lotz and Cheng cites extensive evidence consistent with the relief of surface stress being the underlying cause. This complementary note contributes to the discussion by making three main points. First, it is necessary to go further and explain the key issue of how a consistent twist is maintained when, as commonly, this habit has a lower symmetry than the crystallographic lattice. Detailed study has shown that, in polyethylene, this occurs by reorganization of the initial fold surfaces. Second, the suggested explanation by Keith and Padden that. in polyethylene, the asymmetric habit derives from molecules adding to lamellae with inclined fold surfaces is invalid being doubly inconsistent with observation. Third, twisting has now been linked to faster growth by study of row structures in polyethylene. This produces inherently rough fold surfaces in Regime II whose internal stresses drive reorganization and twisting. For slower (Regime I) growth, fold surfaces form with and maintain ordered packing so providing no basis for twisting. These new insights radically alter the context of twisted growth and provide a firm factual basis for further work. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Numerical solution of the PTT constitutive equation for unsteady three-dimensional free surface flows

This work deals with the development of a numerical technique for simulating three-dimensional viscoelastic free surface flows using the PTT (Phan-Thien-Tanner) nonlinear constitutive equation. In particular, we are interested in flows possessing moving free surfaces. The equations describing the numerical technique are solved by the finite difference method on a staggered grid. The fluid is modelled by a Marker-and-Cell type method and an accurate representation of the fluid surface is employed. The full free surface stress conditions are considered. The PTT equation is solved by a high order method, which requires the calculation of the extra-stress tensor on the mesh contours. To validate the numerical technique developed in this work flow predictions for fully developed pipe flow are compared with an analytic solution from the literature. Then, results of complex free surface flows using the FIT equation such as the transient extrudate swell problem and a jet flowing onto a rigid plate are presented. An investigation of the effects of the parameters epsilon and xi on the extrudate swell and jet buckling problems is reported. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Numerical Solution of the Upper-Convected Maxwell Model for Three-Dimensional Free Surface Flows

This work presents a finite difference technique for simulating three-dimensional free surface flows governed by the Upper-Convected Maxwell (UCM) constitutive equation. A Marker-and-Cell approach is employed to represent the fluid free surface and formulations for calculating the non-Newtonian stress tensor on solid boundaries are developed. The complete free surface stress conditions are employed. The momentum equation is solved by an implicit technique while the UCM constitutive equation is integrated by the explicit Euler method. The resulting equations are solved by the finite difference method on a 3D-staggered grid. By using an exact solution for fully developed flow inside a pipe, validation and convergence results are provided. Numerical results include the simulation of the transient extrudate swell and the comparison between jet buckling of UCM and Newtonian fluids.

An investigation of electrolytic surface damages and electroplated crhomium effects on fatigue behavior of high strength steel

Fatigue crack initiation occurs at the surface, although sub surface nucleation has also been reported. Localized imperfections like inclusions close to surface and surface small pits can result in crack sources. Coatings are not always beneficial by fatigue point of view too. Mechanical properties of the covering material can change considerably the fatigue behavior of base metal due to residual surface stresses, to micro cracks or to hydrogen embrittlement. This paper is concerned with analysis of electrolytic etch on the fatigue resistance of a 35NCD16 high strength steel in a mechanical condition of (1760 - 1960) MPa, and analysis of electroplated hard chromium effects on the fatigue resistance in a strength condition of 989 MPa. Hardness impression was used as a reference parameter in case of electrolytic etch. In both cases, experimental data showed that fatigue strength of 35NCD16 steel was considerably reduced. Copyright © 2001 Society of Automotive Engineers, Inc.

Application of the PTT Model to Axisymmetric Free Surface Flows

This work is concerned with numerical simulation of axisymmetric viscoelastic free surface flows using the Phan-Thien-Tanner (PTT) constitutive equation. A finite difference technique for solving the governing equations for unsteady incompressible flows written in Cylindrical coordinates on a staggered grid is described. The fluid is modelled by a Marker-and-Cell type method and an accurate representation of the fluid surface is employed. The full free surface stress conditions are applied. The numerical method is verified by comparing numerical predictions of fully developed flow in a pipe with the corresponding analytic solutions. To demonstrate that the numerical method can simulate axisymmetric free surface flows governed by the PTT model, numerical results of the flow evolution of a drop impacting on a rigid dry plate are presented. In these simulations, the rheological effects of the parameters epsilon and xi are investigated.

Experimental investigation into the effect of stress on dissolution and growth of very soluble brittle salts in aqueous solution

Das Studium der Auflösungs- und Wachstumsprozesse an Feststoff-Flüssigkeits-Grenzflächen unter nicht-hydrostatischen Beanspruchungen ist wesentlich für das Verständnis von Defor-mationsprozessen, die in der Erde ablaufen. Unter diesen genannten Prozessen gehört die Drucklösung zu den wichtigsten duktilen Deformationsprozessen, von der Diagenese bishin zur niedrig- bis mittelgradigen metamorphen Bedingungen. Bisher ist allerdings wenig darüber bekannt, welche mechanischen, physikalischen oder chemischen Potentialenergie-Gradienten die Drucklösung steuern. I.a. wird angenommen, daß die Drucklösung durch Un-terschiede kristallplastischer Verformungsenergien oder aber durch Unterschiede der Normal-beanspruchung an Korngrenzen gesteuert wird. Unterschiede der elastischen Verformungs-energien werden dabei allerdings als zu gering erachtet, um einen signifikanten Beitrag zu leisten. Aus diesem Grund werden sie als mögliche treibende Kräfte für die Drucklösung vernachlässigt. Andererseits haben neue experimentelle und theoretische Untersuchungen gezeigt, daß die elastische Verformung in der Tat einen starken Einfluß auf Lösungs- und Wachstumsmechanismen von Kristallen in einer Lösung haben kann. Da die in der Erdkruste vorherrschenden Deformationsmechanismen überwiegend im elastischen Verformungsbereich der Gesteine ablaufen, ist es sehr wichtig, das Verständnis für die Effekte, die die elastische Verformung verursacht, zu erweitern, und ihre Rolle während der Deformation durch Drucklösung zu definieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Experimenten, bei denen der Effekt der mechanisch kompressiven Beanspruchung auf Lösungs- und Wachstumsprozesse von Einzelkristallen unterschiedlicher, sehr gut löslicher, elastisch/spröder Salze untersucht wurde. Diese Salze wurden als Analoga gesteinsbildender Minerale wie Quarz und Calcit ausgewählt. Der Einfluß von Stress auf die Ausbildung der Oberflächenmikrostrukturen in einer untersättigten Lösung wurde an Kaliumalaun untersucht.Lösungsrillen (20 – 40 µm breit, 10 – 40 µm tief und 20 – 80 µm Abstand) entwickelten sich in den Bereichen, in denen die Beanspruchung im Kristall am größten war. Sie verschwanden wieder, sobald der Kristall entlastet wurde. Diese Rillen entwickelten sich parallel zu niedrig indizierten kristallographischen Richtungen und sub-perpendikular zu den Trajektorien, die der maximalen, lokalen kompressiven Beanspruchung entsprachen. Die Größe der Lösungsrillen hing von der lokalen Oberflächenbeanspruchung, der Oberflächenenergie und dem Untersättigungsgrad der wässrigen Lösung ab. Die mikrostrukturelle Entwicklung der Kristalloberflächen stimmte gut mit den theoretischen Vorhersagen überein, die auf den Modellen von Heidug & Leroy (1994) und Leroy & Heidug (1994) basieren. Der Einfluß der Beanspruchung auf die Auflösungsrate wurde an Natriumchlorat-Einzelkristallen untersucht. Dabei wurde herausgefunden, daß sich gestresste Kristalle schneller lösen als Kristalle, auf die keine Beanspruchung einwirkt. Der experimentell beobachtete Anstieg der Auflösungsrate der gestressten Kristalle war ein bis zwei Größenordnungen höher als theoretisch erwartet. Die Auflösungsrate stieg linear mit dem Stress an, und der Anstieg war um so größer, je stärker die Lösung untersättigt war. Außerdem wurde der Effekt der Bean-spruchung auf das Kristallwachstum an Kaliumalaun- und Kaliumdihydrogenphosphat-Ein-zelkristallen untersucht. Die Wachstumsrate der Flächen {100} und {110} von Kalium-alaun war bei Beanspruchung stark reduziert. Für all diese Ergebnisse spielte die Oberflächenrauhigkeit der Kristalle eine Schlüsselrolle, indem sie eine nicht-homogene Stressverteilung auf der Kristalloberfläche verursachte. Die Resultate zeigen, daß die elastische Verformung eine signifikante Rolle während der Drucklösung spielen kann, und eine signifikante Deformation in der oberen Kruste verursachen kann, bei Beanspruchungen, die geringer sind, als gemeinhin angenommen wird. Somit folgt, daß die elastische Bean-spruchung berücksichtigt werden muß, wenn mikrophysikalische Deformationsmodelle entwickelt werden sollen.

Stress – structure correlations in grafted polymer films

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zu gepfropften Polymerfilmen durchgeführt. Dabei wurden endgepfropfte poly-methyl-methacrylate (PMMA) Bürsten hergestellt durch „grafting from“ Methoden und polystyrol (PS)/ poly-vinyl-methyl-ether (PVME) Polymerfilme gepfropft auf UV sensitiven Oberflächen untersucht. Zur Strukturuntersuchung wurden die hergestellten Systeme wurden mit Rasterkraftmikroskopie (engl.: Surface Probe Microscopy, SPM), Röntgen - und Neutronenreflektivitätsmessungen, sowie mit Röntgenstreuung unter streifenden Einfall (engl.: Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering, GISAXS) untersucht. rnEs wurde gezeigt, dass ein aus der Transmissionsstreuung bekanntes Model auch für auch für die GISAXS Analyse polydisperser Polymerdomänen und Kolloidsysteme verwendet werden kann. Der maximale Fehler durch die gemachten Näherungen wurde auf < 20% abgeschätzt.rnErgebnisse aus der Strukturanalyse wurden mit mechanischen Filmeigenschaften verknüpft. Dazu wurden mechanische Spannungsexperimente durchgeführt. Hierzu wurden die zu untersuchenden Filme selektiv auf einzelne Mikro-Federbalken-Sensoren (engl.: Micro Cantilever Sensor, MCS) der MCS Arrays aufgebracht. Dies wurde durch Maskierungstechniken und Mikro-Kontaktdrucken bewerkstelligt. rnPhasenübergansexperimente der gepfropften PS/PVME Filme haben gezeigt, dass die Möglichkeit einer Polymer/Polymer Phasenseparation stark von Propfpunktdichte der gebundenen Polymerketten mit der Oberfläche abhängt. PS/PVME Filmsysteme mit hohen Pfropfpunktdichten zeigten keinen Phasenübergang. Bei niedrig gepfropften Filmsystemen waren hingegen Polymer/Polymer Phasenseparationen zu beobachten. Es wurde geschlussfolgert, dass die gepfropften Polymersysteme einen hinreichenden Grad an entropischen Freiheitsgraden benötigen um eine Phasenseparation zu zeigen. Mechanische Spannungsexperimente haben dabei das Verstehen der Phasenseparationsmechanismen möglich gemacht.rnAus Quellexperimenten dichtgepfropfter PMMA Bürsten, wurden Lösungsmittel-Polymer Wechselwirkungsparameter (-Parameter) bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die erhaltenen Parameter aufgrund von Filmbenetzung und entropischen Effekten maßgeblich von den errechneten Bulkwerten unterscheiden. Weiterhin wurden nicht reversible Kettenverschlaufungseffekt beobachtet.

Measurement of residual stress by load and depth sensing indentation with spherical indenters

A new experimental technique is presented for making measurements of biaxial residual stress using load and depth sensing indentation (nanoindentation). The technique is based on spherical indentation, which, in certain deformation regimes, can be much more sensitive to residual stress than indentation with sharp pyramidal indenters like the Berkovich. Two different methods of analysis were developed: one requiring an independent measure of the material's yield strength and the other a reference specimen in the unstressed state or other known reference condition. Experiments conducted on aluminum alloys to which controlled biaxial bending stresses were applied showed that the methods are capable of measuring the residual stress to within 10-20% of the specimen yield stress. Because the methods do not require imaging of the hardness impressions, they are potentially useful for making localized measurements of residual stress, as in thin films or small volumes, or for characterization of point-to-point spatial variations of the surface stress.

Study of the equatorial Atlantic Ocean mixing layer using a one-dimensional turbulence model

The General Ocean Turbulence Model (GOTM) is applied to the diagnostic turbulence field of the mixing layer (ML) over the equatorial region of the Atlantic Ocean. Two situations were investigated: rainy and dry seasons, defined, respectively, by the presence of the intertropical convergence zone and by its northward displacement. Simulations were carried out using data from a PIRATA buoy located on the equator at 23º W to compute surface turbulent fluxes and from the NASA/GEWEX Surface Radiation Budget Project to close the surface radiation balance. A data assimilation scheme was used as a surrogate for the physical effects not present in the one-dimensional model. In the rainy season, results show that the ML is shallower due to the weaker surface stress and stronger stable stratification; the maximum ML depth reached during this season is around 15 m, with an averaged diurnal variation of 7 m depth. In the dry season, the stronger surface stress and the enhanced surface heat balance components enable higher mechanical production of turbulent kinetic energy and, at night, the buoyancy acts also enhancing turbulence in the first meters of depth, characterizing a deeper ML, reaching around 60 m and presenting an average diurnal variation of 30 m.

Nanosensors for cancer detection.

Cancer is a major burden in today's society and one of the leading causes of death in industrialised countries. Various avenues for the detection of cancer exist, most of which rely on standard methods, such as histology, ELISA, and PCR. Here we put the focus on nanomechanical biosensors derived from atomic force microscopy cantilevers. The versatility of this novel technology has been demonstrated in different applications and in some ways surpasses current technologies, such as microarray, quartz crystal microbalance and surface plasmon resonance. The technology enables label free biomarker detection without the necessity of target amplification in a total cellular background, such as BRAF mutation analysis in malignant melanoma. A unique application of the cantilever array format is the analysis of conformational dynamics of membrane proteins associated to surface stress changes. Another development is characterisation of exhaled breath which allows assessment of a patient's condition in a non-invasive manner.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Solar influences on dynamical coupling between the stratosphere and troposphere

We use a simplified atmospheric general circulation model (AGCM) to investigate the response of the lower atmosphere to thermal perturbations in the lower stratosphere. The results show that generic heating of the lower stratosphere tends to weaken the sub-tropical jets and the tropospheric mean meridional circulations. The positions of the jets, and the extent of the Hadley cells, respond to the distribution of the stratospheric heating, with low latitude heating displacing them poleward, and uniform heating displacing them equatorward. The patterns of response to the low latitude heating are similar to those found to be associated with solar variability in previous observational data analysis, and to the effects of varying solar UV radiation in sophisticated AGCMs. In order to investigate the chain of causality involved in converting the stratospheric thermal forcing to a tropospheric climate signal we conduct an experiment which uses an ensemble of model spin-ups to analyse the time development of the response to an applied stratospheric perturbation. We find that the initial effect of the change in static stability at the tropopause is to reduce the eddy momentum flux convergence in this region. This is followed by a vertical transfer of the momentum forcing anomaly by an anomalous mean circulation to the surface, where it is partly balanced by surface stress anomalies. The unbalanced part drives the evolution of the vertically integrated zonal flow. We conclude that solar heating of the stratosphere may produce changes in the circulation of the troposphere even without any direct forcing below the tropopause. We suggest that the impact of the stratospheric changes on wave propagation is key to the mechanisms involved.