Modellazione e simulazione di particelle 'attive' in matrici liquido-cristalline

In questo lavoro di tesi si sono sviluppati un modello molecolare ed una metodologia Molecular Dynamics in grado di simulare il comportamento di particelle attive, alimentate da un motore molecolare, in matrici liquido-cristalline. In particolare, abbiamo sviluppato un metodo di calcolo della temperatura traslazionale ed un algoritmo di termalizzazione compatibili con le condizioni di non-equilibrio del sistema. Dall’analisi delle prove condotte sono emerse variazioni significative nei comportamenti collettivi dei campioni quali segregazioni e flussi coerenti caratterizzati da un alto grado di ordine nematico. Il modello proposto, pur nella nella sua semplicità, può costituire una base per future e più specifiche simulazioni.

Realizzazione e caratterizzazione chimico-fisica di una sorgente di plasma di non equilibrio operante a pressione atmosferica per la modifica superficale di materiali polimerici in ambiente controllato

Il plasma, quarto stato della materia, rappresenta un gas ionizzato in cui ioni ed elettroni si muovono a diverse energie sotto l’azione di un campo elettro-magnetico applicato dall’esterno. I plasmi si dividono in plasmi di equilibrio e di non equilibrio termodinamico, quest’ultimi sono caratterizzati da un’alta temperatura elettronica (oltre 10000 K) e da una bassa temperatura traslazionale degli ioni e delle specie neutre (300-1000 K). I plasmi di non equilibrio trovano largo impiego nella microelettronica, nei processi di polimerizzazione, nell’industria biomedicale e del packaging, consentendo di effettuare trattamenti di sterilizzazione e attivazione superficiale. Il lavoro di tesi è incentrato sui processi di funzionalizzazione e polimerizzazione superficiale con l’obbiettivo di realizzare e caratterizzare sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica operanti in ambiente controllato. È stata realizzata una sorgente plasma operante a pressione atmosferica e in ambiente controllato per realizzare trattamenti di modifica superficiale e di polimerizzazione su substrati polimerici. L’efficacia e l’omogeneità dei trattamenti eseguiti sono stati valutati tramite misura dell’angolo di contatto. La caratterizzazione elettrica ha consentito di determinare i valori di densità di energia superficiale trasferita sui substrati al variare delle condizioni operative. Lo strato depositato durante il processo di polimerizzazione è stato analizzato qualitativamente tramite l’analisi chimica in spettroscopia infrarossa. L’analisi delle prove di funzionalizzazione dimostra l’uniformità dei processi plasma eseguiti; inoltre i valori dell’angolo di contatto misurati in seguito ai trattamenti risultano confrontabili con la letteratura esistente. Lo studio dei substrati trattati in atmosfera satura d’azoto ha rivelato una concentrazione superficiale di azoto pari al 3% attribuibile alla presenza di ammine, ammine protonate e gruppi ammidici; ciò conferma la bontà della soluzione realizzata e dei protocolli operativi adottati per la funzionalizzazione delle superfici. L’analisi spettroscopica dei trattamenti di polimerizzazione, ha fornito spettri IR confrontabili con la letteratura esistente indicando una buona qualità del polimero depositato (PEG). I valori misurati durante la caratterizzazione elettrica della sorgente realizzata risulteranno fondamentali in futuro per l’ottimizzazione del dispositivo. I dati raccolti infatti, determineranno le linee guida per il tailoring dei trattamenti plasma e per lo sviluppo della sorgente. Il presente lavoro di tesi, pur prendendo in esame una piccola parte delle applicazioni industriali dei plasmi non termici, conferma quanto queste siano pervasive nei comuni processi industriali evidenziandone le potenzialità e i numerosi campi d’applicazione. La tecnologia plasma è destinata ad essere imprescindibile per la ricerca di soluzioni innovative ai limiti dei processi tradizionali.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione funzionale di sorgenti di plasma atmosferico di non equilibrio per l'idrofobizzazione di fibre tessili

L’attività di tesi ha previsto la progettazione e realizzazione di sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica e l’individuazione delle condizioni operative ottimali per l’idrofobizzazione di materiali tessili. La prima parte delle attività di tesi hanno riguardato lo studio e l’approfondimento della letteratura scientifica al fine di individuare le sorgenti e i processi plasma assistiti per l’idrofobizzazione dei materiali. Relativamente alle sorgenti di plasma di non-equilibrio a pressione atmosferica, studi di letteratura riportano che sorgenti di tipo APPJ (Atmospheric Pressure Plasma Jet) consentono di effettuare un trattamento localizzato in un punto, mentre sorgenti DBD (Dielectric Barrier Discharge) risultano idonee a trattamenti di materiali large area. Per quanto riguarda i processi plasma assistiti, sulla base di quanto riportato in letteratura il processo di idrofobizzazione può avvenire principalmente mediante polimerizzazione di gas organici contenenti fluoro, introdotti nella regione di plasma, con la conseguente deposizione di coating fluorurati. Le attività sperimentali condotte durante la tesi hanno avuto l’obbiettivo di valutare la possibilità di rendere idrofobico un filato di fibra tessile naturale mediante l’utilizzo di una sorgente plasma jet operante con miscela di argon e gas organoflorurato. Il filato, messo in moto a diverse velocità, è stato fatto transitare attraverso la piuma di plasma. In particolare, si è passati da una velocità di movimentazione di 1 m/min a una di 10 m/min. I risultati ottenuti hanno evidenziato che maggiore è la velocità di movimentazione del filato attraverso la piuma di plasma, minore è il grado di idrofibizzazione raggiungibile sul filato stesso, in quanto minore è il tempo di esposizione del materiale al plasma. Infine, nell’ultima parte dell’attività di tesi, è stata progettata una sorgente DBD, che caratterizzata da una maggiore area di generazione del plasma rispetto alla sorgente plasma jet, consente di incrementare il tempo di esposizione del filato al plasma a parità di velocità di movimentazione del filato.

Analisi del non-equilibrio termico locale nella conduzione non-stazionaria in uno strato poroso

Lo scopo di questo lavoro di tesi si focalizza sullo studio, sia dal punto di vista analitico che da quello numerico, della conduzione del calore non stazionaria di un mezzo poroso rettangolare saturo di fluido. Per descrivere tale fenomeno sono state adoperate le equazioni di bilancio dell’energia modellate tramite la teoria del non-equilibrio termico locale, cioè una coppia di equazioni di bilancio dell’energia sia per la fase solida sia per la fase fluida, dipendenti l’una dall’altra in quanto legate dal termine generativo di interfase. La necessità di avere due equazioni di bilancio dell’energia è dovuta a una caratteristica importante dei processi di trasferimento del calore in una schiuma metallica. In questo elaborato verranno risolte numericamente le equazioni di biliancio dell’energia del non-equilibrio termico locale, tramite l’ausilio del programma di calcolo MATLAB e il suo solutore “pdepe”, indagando e proponendo una soluzione al “paradosso” introdotto da Vadazs* nel suo articolo. Tale paradosso si presenta quando si risolvono analiticamente le equazioni di bilancio dell’energia del non-equilibrio termico locale applicando due metodi differenti: il metodo di sostituzione delle variabili e il metodo di separazione delle variabili dipendenti. Dai risultati ottenuti da Vadasz emerge una discrepanza tra i due metodi in quanto uno dei due porta a predire un comportamento di equilibrio termico tra le due fasi a ogni istante di tempo, mentre l’altro predirebbe un comportamento di non-equilibrio termico locale tra le due fasi, particolarmente evidente nei primi istanti di tempo. Successivamente si è analizzato il problema di conduzione studiandone la variazione dei transitori termici del campo di temperatura della fase solida e dalla fase fluida al mutare dei parametri adimensionali che caratterizzano le equazioni di bilancio dell’energia nella sue forme adimensionalizzate.

Studio dell'interazione tra un plasma jet nanopulsato con substrati metallici, dielettrici e liquidi

Il plasma è denominato quarto stato della materia ed è generalmente definito come un gas ionizzato costituito da elettroni e ioni. In ambito industriale i plasmi hanno trovato impiego per diversi tipi di applicazione quali il trattamento di superfici, la degradazione e lo smaltimento di rifiuti, il taglio di materiali, primi fra tutti i metalli. In particolare i plasmi atmosferici di non equilibrio, che possiedono la caratteristica di mantenere una temperatura macroscopica paragonabile a quella ambiente, sono studiati anche per applicazioni in campo biomedicale, oltre che in quello industriale. Da alcuni anni sono quindi oggetto di indagine per le caratteristiche di sterilizzazione di fluidi o solidi, per la coagulazione e il trattamento di lesioni e lacerazioni, per trattamenti su superfici quali la pelle, per il trattamento di cellule tumorali e staminali o per interfacce dispositivi biomedicali – corpo umano. Questo nuovo settore di ricerca, in grande sviluppo, viene comunemente definito Plasma & Medicine. Poiché in ambito biomedicale, un trattamento plasma può interessare diverse tipologie di substrati biologici e materiali, è stato scelto come obiettivo della tesi la caratterizzazione di una sorgente di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica, denominata Plasma Jet, posta ad interagire con substrati di diversa natura (metallico, dielettrico, liquido). La sorgente utilizzata è in grado di produrre un plasma freddo e biocompatibile, generando diverse specie chimiche che garantiscono effetti molto interessanti (sterilizzazione, accelerazione della coagulazione sanguigna, cura di infezioni) per un utilizzo a contatto con il corpo umano o con componenti ingegneristiche che devono venire ad interagire con esso, quali stent, cateteri, bisturi. La caratterizzazione è stata effettuata mediante l’ausilio di due tecniche diagnostiche: la Schlieren Imaging, che permette di studiare la fluidodinamica del gas, OES (Optical Emission Spettroscopy), che permette di analizzare la composizione chimica della piuma di plasma e di determinare le specie chimiche che si producono. Questo elaborato si propone quindi di fornire una breve introduzione sul mondo dei plasmi e sulle loro caratteristiche, citando alcuni dei settori in cui viene utilizzato, industriali e biomedicali, con particolare attenzione per questi ultimi. Successivamente saranno riportati i setup utilizzati per le acquisizioni e una discussione sui risultati ottenuti dalle diverse tecniche diagnostiche utilizzate sul Jet durante i trattamenti. In ultimo sono poi riportate le conclusioni in modo da presentare le caratteristiche più importanti del comportamento della sorgente.

Thermodynamic and mechanical properties of polymer-solvent systems

This work presents the results of theoretical and experimental characterization of thermodynamic, mechanical and transport properties in polymer solvent systems. The polymer solvent pairs considered ranged to those in which the polymer is rubbery, to those in which the initially glassy polymeric matrix is plasticized by the action of the low molecular weight species. Advanced Equation of State models have been adopted for thermodynamic modeling,along with a rigorous procedure that enables to extend their applicability to the non equilibrium, glassy region. Mass sorption kinetics had been modeled with phenomenological models and with advanced kinetic models.

Progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi

Breve introduzione sui radar, sistemi Ultra WideBand, controlli non distruttivi e progettazione di un banco di prova per radar UWB per l'analisi non distruttiva dei danni sui materiali compositi.

Rivelatori di raggi X basati su cristalli organici semiconduttori

Negli ultimi anni, i progressi della ricerca scientifica nell'ambito dell'elettronica organica hanno messo in luce le proprietà dei cristalli organici che rendono possibile un loro potenziale utilizzo nel campo della rivelazione di radiazioni ionizzanti. All'interno di questa tesi, analizzeremo le prestazioni di rivelazione di raggi X da parte di due cristalli che si distinguono tra loro per proprietà chimiche e fisiche: l'NTI e il Rubrene. Questi due materiali verranno sottoposti a misure elettriche, svolte in diverse condizioni di irraggiamento, e dai dati ottenuti sarà possibile analizzare la risposta alla radiazione da parte di ciascun dispositivo. Verranno valutate le capacità di rivelazione da parte dei due materiali studiati, in base ai parametri che caratterizzano i rivelatori di radiazione a stato solido, e sarà inoltre possibile mettere a confronto i risultati ottenuti dai due diversi cristalli e osservare eventuali comportamenti differenti.

Studio di un nuovo sistema angiotermografico tridimensionale per la diagnostica del tumore al seno.

L’angiotermografia dinamica (DATG) è una tecnica diagnostica per il tumore al seno non invasiva e che non richiede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti. La strumentazione fornisce immagini della vascolarizzazione della mammella rilevate e visualizzate da tre placche a cristalli liquidi. Le immagini, sulla base della teoria della neoangiogenesi, permettono la diagnosi anche precoce del tumore al seno. Inoltre, la DATG può essere impiegata su donne di ogni età e grazie al suo basso costo può coadiuvare le altre tecniche per lo screening. Scopo di questo lavoro è la caratterizzazione della strumentazione e lo studio di un nuovo metodo di elaborazione che permetta di ottenere immagini tridimensionali della vascolarizzazione. Poiché le immagini fornite dalla DATG sono a colori, si è elaborato il calcolo della tonalità (hue) per poter avere un valore da mettere in relazione con la temperatura misurata con una termocamera. Sperimentalmente è stato osservato che le placche rispondono a temperature comprese rispettivamente tra 31,5°C e 34,0°C per quella con cornice bianca, con una risoluzione tra 0,50 e 1,50 mm, tra 32,5oC e 34,5°C per quella con cornice grigia, che è in grado di rivelare dettagli con dimensioni minime dell'ordine di 0,50-2,50 mm e tra 34,0°C e 36,5°C per quella con cornice nera, con una risoluzione compresa tra 0,25 mm e 1,50 mm. Le immagini fornite dalla DATG sono bidimensionali. Per ricavare l’informazione sulla profondità di provenienza del segnale, è stata acquisita una sequenza dinamica angiotermografica in vivo. Per ottenere la distribuzione spaziale della vascolarizzazione in tre dimensioni, sulla base dell’equazione del trasporto del calore di Fourier, è stata ipotizzata una relazione esponenziale tra contributo temporale nella formazione dell’immagine e profondità di provenienza del segnale. I primi test sperimentali mostrano con buona approssimazione che è possibile ottenere immagini tridimensionali angiotermografiche, anche se il metodo andrà ulteriormente affinato. In futuro si cercherà di realizzare dei fantocci dedicati che consentano di verificare ulteriormente la modalità con cui si formano le immagini e di sfruttare i dati raccolti per conoscere con maggior accuratezza la profondità da cui proviene il segnale. Si spera, infine, che questo studio possa contribuire a diffondere la conoscenza di tale metodica e il suo utilizzo sia per la diagnosi che per lo screening del tumore al seno.

Transizione a stati congestionati in modelli di traffico

La congestione del traffico è un fenomeno molto familiare, con il quale si ha a che fare nelle più svariate occasioni. Dal punto di vista fisico, il flusso del traffico rappresenta un sistema di particelle interagenti (i ve- icoli) in condizione di non equilibrio. L’effetto complessivo di un sistema composto da molte particelle interagenti è la creazione di una instabil- ità, osservata empiricamente, nello stato di free flow (scorrimento libero), causata dall’aumentare delle fluttuazioni. In questi casi di parla di phan- tom traffic jam, ovvero una congestione che ha origine senza cause appar- enti, come incidenti o lavori in corso. Sarà dimostrato come la condizione di stop & go si verifichi spontaneamente se la densità media dei veicoli eccede un certo valore critico. L’importanza di poter predire una congestione stradale non è un problema puramente matematico, ma ha risvolti socio-economici non indifferenti. Infatti, le caratteristiche della mobilità e dei sistemi di trasporto sono strettamente legate alla struttura della comunità e alla qualità della vita. Con il seguente studio si cercherà di trovare un osservabile facilmente calcolabile, che potrebbe essere un predittore della formazione di uno stato congestionato con un intervallo di tempo sufficientemente adeguato. A tal fine sono state prese in considerazione misure relative alle condizioni del traffico su strade provinciali dell’Emilia-Romagna, tramite un sistema MTS composto da 3509 spire che registra i passaggi delle macchine; in seguito, per poter avere una comprensione maggiore dei fenomeni che si manifestano durante la transizione a stato congestionato, si è provveduto a creare un modello matematico utilizzato per le simulazioni al computer. I risultati ottenuti dalle simulazioni, poi, sono stati utilizzati per trovare l’osservabile cercato nei dati pervenuti dalle strade campione.

Sensore e interfacce per la misura di conducibilita con impedenza elettrica

Gli oceani coprono quasi il 75% della superficie della terra ed esercitano una grande influenza sulla vita di tutte le specie viventi e sull’evoluzione del clima a livello planetario. I repentini cambiamenti climatici hanno reso sempre piú importante studiarne i comportamenti. L’analisi della salinitá degli oceani é estremamente importante per gli studi sull’ambiente marino; puó essere usata per tracciare le masse d’acqua, descrivendone i flussi e svelandone la correlazione con i processi climatici, puó essere di aiuto ai biologi per studiare gli organismi marini e costituisce un parametro fondamentale per una vasta gamma di sensori. Un sistema autonomo che misuri conducibilitá e temperatura é il primo strumento per determinare la salinitá dell’acqua, sul mercato sono presenti sí numerosi sensori a elevata accuratezza ma necessitano di ingombranti strumenti di laboratorio per funzionare. Sistemi di ridotte dimensioni non sono invece altrettanto accurati ed affidabili. Questa tesi mira a sviluppare un'interfaccia che permetta di analizzare conducibilitá e temperatura con un elevato livello di accuratezza. Particolare attenzione sará posta all’elaborazione delle misure effettuate e alla caratterizzazione degli errori e dell’accuratezza del sistema. Partendo da queste basi in futuro si potrá creare un sistema autonomo a bassissima potenza, alimentato da batterie, che, basandosi sull’iterazione fra il chip impedenziometrico e il PIC, permetta di fare misure per un ciclo di vita di qualche anno.

Trattamento di cellule cancerose mediante plasmi non termici

Con lo sviluppo di sorgenti capaci di sostenere scariche di non equilibrio a pressione atmosferica è nato un notevole interesse per le applicazioni biomediche del plasma, data la generazione nella scarica di una varietà di agenti efficaci in più ambiti. I plasmi di questo tipo, caratterizzati principalmente da una temperatura macroscopica vicina a quella ambiente, sono infatti già utilizzati, ad esempio, per la sterilizzazione, per il trattamento di polimeri per migliorarne la biocompatibilità, e per l’accelerazione del processo di coagulazione del sangue. In questo lavoro verrà presentata un’altra possibilità applicativa, sempre nel settore della plasma medicine, ovvero l’utilizzo dei plasmi per il trattamento di cellule cancerose, che sta avendo un particolare successo a causa dei risultati ottenuti dai vari gruppi di ricerca che sottintendono un suo possibile futuro nel trattamento di neoplasie. Verrà presentata una breve introduzione alla fisica del plasma, mostrando alcuni parametri che caratterizzano questo stato della materia, concentrandosi in particolare sui plasmi non termici o di non equilibrio, per poi passare al processo di ionizzazione del gas. Nel secondo capitolo sono approfondite due sorgenti per la generazione di plasmi non termici, la scarica a barriera dielettrica e il plasma jet. Il terzo capitolo fornisce una preliminare spiegazione degli agenti generati nella scarica e il rapporto che hanno con la materia con cui interagiscono. L’ultimo capitolo è il fulcro della ricerca, e comprende risultati ottenuti negli ultimi anni da vari gruppi di ricerca di molte nazionalità, e una breve parte riguardante la sperimentazione originale svolta anche in mia presenza dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione “Guglielmo Marconi”, rappresentato principalmente dal professor Carlo Angelo Borghi e dal professor Gabriele Neretti.

Dinamica dei sistemi collisionali

In questo elaborato viene discussa la dinamica dei sistemi collisionali, la quale non si riferisce alle effettive collisioni fisiche che possono verificarsi seppur raramente in campo astrofisico (Appendice A), ma piuttosto al ruolo dominante ricoperto dagli incontri gravitazionali ravvicinati tra coppie di stelle. Nel Capitolo 1 viene introdotto lo studio della dinamica stellare, viene riportata la definizione di sistema collisionale e la sua distinzione da sistema non collisionale, in cui i moti, invece, sono influenzati dalla forza gravitazionale esercitata da una omogenea distribuzione di massa. Viene accennato, inoltre, il fondamentale Teorema del Viriale. A seguire, nel Capitolo 2, viene proposto il problema dei due corpi, fondamentale per lo sviluppo del calcolo del tempo di rilassamento a due corpi, e viene confrontato quest'ultimo sia con il tempo dinamico che con il tempo di frizione dinamica. Infine, nel Capitolo 3 vengono esposti alcuni esempi di dinamica stellare in astrofisica, come l'evaporazione gravitazionale, il core collapse e la catastrofe gravotermica degli ammassi globulari.