Academic literature on the topic 'Metodo Delle Celle'

2008/2009
La predizione del rischio di frattura costituisce un elemento di estremo interesse in ambito clinico quale supporto dei processi diagnostici, di prognosi e di cura; attualmente la valutazione è basata su inferenze statistiche rispetto al contenuto minerale del tessuto osseo in siti specifici a mezzo di speciali immagini radiografiche, realizzandosi valutazioni caratterizzate da un consistente margine di incertezza. Un significativo miglioramento è ragionevole pensare possa derivare dall'uso di modelli numerici tridimensionali subject specific che, fondandosi su immagini diagnostiche, riescano a cogliere le peculiarità morfologiche e costitutive di ogni singolo caso. Ad oggi è stata sviluppata una metodologia di modellazione basata sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM) che si è dimostrata precisa nel replicare misure sperimentali su segmenti ossei in vitro; la procedura si basa sulla precisa definizione topologica della superficie dell'osso, e risulta per questo estremamente laboriosa e significativamente impegnativa sia in termini di tempo che di competenze specializzate necessarie; questo fatto ne limita l’uso nella pratica clinica a causa della difficile applicazione su larga scala in tempi contenuti. Scopo della tesi era l’esplorazione di un approccio di modellazione alternativo, in grado di conservare i requisiti di robustezza, accuratezza e generalità della procedura FEM, ma in grado di aumentare il grado di automazione del processo di studio. L’indagine si è concentrata su implementazioni innovative del Metodo delle Celle (CM), un metodo numerico basato sulla formulazione discreta diretta delle equazioni dei campi fisici adatto a studiare sistemi non omogenei e di complessa geometria. Il rifiuto dell'ipotesi di continuo alla base del CM lo rendeva a priori filosoficamente concorde con la natura della sorgente di informazione (le immagini diagnostiche) su cui la procedura di modellazione automatizzata si sarebbe dovuta basare. L'elaborato esplora alcune ipotesi fondate su implementazioni numeriche innovative derivate del Metodo delle Celle: sono stati sviluppati, nella loro impostazione formale e implementativa, tre differenti approcci meshless del CM, approcci nei quali la soluzione viene calcolata in punti tra i quali non è richiesta la definizione di una connettività a livello globale. I tre metodi, accomunati dalla scrittura di un'equazione di bilancio scritta su un area tributaria di nodo definita localmente, sono stati valutati nella prospettiva applicativa del problema di riferimento. Uno di questi approcci, basato sulla creazione di un complesso locale di celle primali, si è dimostrato adatto ad essere applicato nella creazione di modelli numerici automaticamente costruiti sui dataset di immagini diagnostiche. Questa metodologia, denominata Meshless Cell Method (MCM), è stata valutata nella sua applicabilità replicando delle misure sperimentali di deformazione su un esemplare di femore in vitro. La buona capacità di predire i valori sperimentali, malgrado la ridotta risoluzione delle immagini diagnostiche di partenza, ne ha giustificato un più solido e ampio processo di validazione: misure sperimentali di deformazione in vitro in 15 differenti siti anatomici di 8 esemplari di femore in 6 distinte configurazioni hanno costituito l'elemento di confronto rispetto a cui sono state valutate le predizioni dei corrispondenti modelli MCM; ulteriore elemento di valutazione comparativa è stato offerto dalle predizioni di modelli FEM replicanti le stesse prove sperimentali. L'analisi ha evidenziato la buona capacità dei modelli MCM di identificare la realtà sperimentale: il coefficiente di correlazione, i parametri della retta di regressione e gli scarti medio e massimo rispetto alle misure sperimentali si sono dimostrati paragonabili a quanto realizzato dai modelli FEM. Lo studio ha individuato dunque un processo di modellazione numerica di segmenti ossei caratterizzato da un elevato grado di automaticità: il modello numerico viene costruito direttamente sul dataset CT in maniera indipendente dallo specifico segmento osseo rappresentato; la procedura non richiede alcuna manipolazione e si è dimostrato poter ottenere accuratezze nella replicazione delle misure sperimentali in vitro assolutamente concordi con quelle della procedura FEM di riferimento. Il lavoro si colloca nel contesto dell’attività di ricerca del Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, struttura presso cui lo studio è stato condotto.
XXII Ciclo
1977

Questo elaborato sviluppa le metodologie di analisi del processo produttivo adottate nell’ambito di una PMI e si propone di valutare la fattibilità economica della realizzazione di una cella di assemblaggio per motoriduttori. L’idea di realizzare una cella di assemblaggio nasce dalla volontà di ridurre le movimentazioni di materiale concentrando l’assemblaggio finale in un’area dedicata dello stabilimento. Vengono descritti i metodi di determinazione dei tempi di produzione e i parametri utilizzati per valutare l’efficienza dei processi produttivi. Sono esposti i principi del Lean Thinking con particolare attenzione alla loro applicazione in contesti PMI, della quale sono elencate le principali problematiche evidenziate in letteratura. Sono descritti l’attuale organizzazione dello stabilimento e il processo produttivo dei motoriduttori al fine di consentire una miglior comprensione degli aspetti critici del processo. Infine è utilizzato il metodo del VAN per valutare la convenienza economica dell’adozione di una cella di assemblaggio.

This thesis assesses the potential of a new technological path for combining III-V and IV elements, in order to exploit the band gap engineering possibilities which this integration offers and set up the basis for realizing, at low cost, high efficiency - monolithically thin - InGaP/InGaAs/SiGeSn/Ge solar cells. A suitable model for evaluating the performance of the MJ solar cell is built up, as well as the growth of the SiGeSn alloy and its integration in the III-V structure, by utilizing a high throughput MOVPE equipment. TMM has then been applied in the modelling of a MJ cell structure designed for improving the device voltage (obtained by thinning the solar cell and depositing on the back side a perfect mirror), however, in this case, a numerical instability has been discovered. This problem has been overcome by applying a simplified scattering matrix method (SMM). By using the optical properties of SiGeSn experimentally determined, the SMM has been successfully applied to simulate the performances of InGaP/InGaAs/SiGeSn/Ge solar cells in two and three terminal configuration. For the first time, the results of the investigation concerning the growth of SiGeSn and III-V compounds in the same MOVPE growth chamber are presented. The deposition has concerned different semiconductors currently deposited in the MJ structure: GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaP, Ge, SiGe and SiGeSn. Different precursors have been tested, however, in order to pursue un industrial scale up of the growth process only commercially sources have been selected. The epitaxial layers have been characterized by XRD, SEM, TEM, EDX, AFM, SIMS Ellipsometry and ECV profiling. Two key challenges have been faced: i) the problem of getting adequate tin incorporation in the Ge matrix, avoiding tin precipitation, ii) the necessity to overcome the cross contamination problem among the III-V elements and the IV elements, as they are grown in the same MOVPE equipment. Preliminary deposition of Ge, SiGe and SiGeSn has allowed to address important hardware change in the MOVPE equipment. For the deposition of IV elements, higher growth rates have been obtained by using hydrogen as carrier gas. GeH4 is shown to be more suitable than IBuGe: by using Si2H6 and SnCl4, the growth rate of SiGeSn has been increased by an order of magnitude, from 3 nm/min to 10 nm/min, by replacing the metalorganic source with the hydride one. A further 40% increase in the SiGeSn growth rate has been reached by introducing DeZn during the deposition. This result can be explained by considering that the products of DeZn decomposition (CH3 radicals) can either reduce the hydrogen or the HCl at the wafer surface. SiGeSn containing 3% of Si and 1% of Sn, lattice matched to Ge, with mirror like morphology and high crystallographic quality (without tin precipitates) has been obtained at the growth temperature of 490°C. As expected, by using thick buffer, by reducing the growth temperature and by increasing the growth rate it is possible to strongly reduce the cross contamination problem. In particular, by lowering the growth temperature from 650° to 500°C, the contamination of IV elements in III-V compounds has been reduced from 4-5*1017cm-3 to 6*1016 – 3*1014 cm-3 depending on the substrate. The contamination of III-V elements in IV based materials has been drastically reduced from 1020 cm-3 to 2*1017- 5*1015 cm-3 by using 3 µm thick and 8 µm thick Ge buffer layers, respectively. To demonstrate the effectiveness of the new MOVPE growth approach, GaAs/InGaP/SiGeSn/Ge functional devices have been manufactured. The results here presented constitute a cornerstone for the realization of low cost, high efficiency - monolithically thin - fully MOVPE grown - InGaP/InGaAs/SiGeSn/Ge solar cells and they can also be exploited to monolithically integrate III-V MJ structures on the silicon platform, paving the way toward a very competitive CPV technology.

ABSTRACT Dental pulp stem cells (DPSC), a cell type of mesenchymal origin showing high proliferation and plasticity, are an emerging source of adult stem cells offering interesting features in view of potential applications in regenerative medicine. These features prompted us to develop a new method to cryopreserve DPSC inside a whole tooth, thus avoiding the need to purify the cells before cryopreservation and reducing the initial costs and workload of tooth banking. In this study we cryopreserved 4 human deciduous whole teeth after digging microchannels into the tooth with an Nd:YAG laser beam (laser piercing) to allow the cryopreservative to reach the dental pulp and preserve the cells at 80°C. Then, we isolated, expanded and characterized in vitro the stem cells after tooth thawing and mechanical fracture. In parallel, we characterized cells extracted from 2 teeth cryopreserved without laser piercing and from 4 non cryopreserved, non laser pierced, freshly fractured teeth. Our data demonstrate that DPSC isolated from laser pierced cryopreserved teeth show mesenchymal stem cells morphology, immunophenotype, viability and proliferation rate similar to those of cells isolated from fresh, non cryopreserved teeth, whereas significant loss of cell viability and proliferation rate was shown by cells isolated from teeth cryopreserved without laser piercing. These data support the use of this method for prospective whole tooth banking.

Lo studio della trasmissione del calore presenta un notevole interesse sia dal punto di vista scientifico che da quello tecnico-applicativo, in quanto consente di realizzare sia scambi termici efficienti, sia efficaci isolamenti. Lo scambio di calore è governato, in tutti e tre i fenomeni attraverso cui esso può avvenire (conduzione, convezione ed irraggiamento), dalle proprietà termofisiche dei materiali coinvolti nello scambio stesso. La conoscenza di queste proprietà rappresenta, quindi, un elemento fondamentale sia per lo studio dei fenomeni termici, sia per la progettazione di dispositivi tecnici. Le proprietà dei materiali più studiate, data la loro notevole influenza sulla trasmissione del calore per conduzione, sono: • conduttività termica λ; • diffusività termica α; • calore specifico cp. Di queste, la conduttività termica è fondamentale per descrivere il comportamento in regime stazionario mentre la diffusività termica è fondamentale per descrivere il comportamento in regime transitorio. Nel presente lavoro verranno descritte le attività svolte durante il dottorato di ricerca in Ingegneria dell’Energia e Ambiente nella misura delle proprietà termofisiche (principalmente α e λ) dei mezzi porosi ad alta e bassa temperatura. Tali attività possono essere suddivise nel seguente modo: 1. misura di conduttività termica e sua dipendenza dalla temperatura durante il processo di congelamento degli alimenti; 2. misura contemporanea di conduttività termica, diffusività termica e resistenza termica di contatto ad alta temperatura su mezzi porosi; 3. misura della diffusività termica di materiali per celle a combustibili a ossidi solidi (SOFC).
The study of heat transmission is very interesting both from the scientific and from the technical point of view, because it makes possible to realize efficient heat exchanges or effective thermal insulation. Heat exchange is governed, in the three ways it can take place (conduction, convection and radiation), by the thermophysical properties of the materials involved in the thermal transmission. The knowledge of these properties is, thus, a fundamental element for the study of thermal phenomena and for the design of technical devices. The mostly studied material properties, because of their considerable importance for heat conduction, are: • thermal conductivity λ; • thermal diffusivity α; • specific heat cp. Thermal conductivity is fundamental for the description of steady-state behavior, whereas the thermal diffusivity is important for transient conduction. In the present work, the activities carried on during the Ph. D. in Energy and Environment Engineering in order to determinate the thermophysical properties (mainly λ and α) of porous media at high and low temperature will be described. The activities can be summarized in three points: 1. measurement of thermal conductivity and its dependence on temperature during foods freezing; 2. simultaneous measurement of thermal conductivity, thermal diffusivity and contact thermal resistance at high temperature for porous media; 3. measurement of thermal conductivity of materials for solid oxides fuel cells.

In recent times a new emerging research field has become more and more popular in the optics community, which is plasmonics. This discipline studies the surprising optical properties of metals at the nano-scale, which are substantially different from those at the macro-scale. This thesis presents several theoretical/numerical studies in the field of plasmonics, both with fundamental research and with applicative purposes in the fields of photovoltaics and sensing. One basic problem in plasmonics is the study of optical Bloch modes of planar arrays of metallic nanostructures, namely periodic in one or two dimensions but not in the third, what are called plasmonic crystal slabs. We present here a finite-elements-based numerical method for the modal analysis of such structures, which allows to retrieve complex Bloch modes dispersions both of truly bound optical modes and of leaky modes. We present then a thorough investigation of the optical properties of a well-known plasmonic crystal, which is the 1-D lamellar grating. Our main interest here is the possible use of this structure as a light trapping device for photovoltaics applications. We consider its integration on top of a silicon solar cell and within a thin film organic solar cell. In both cases the mechanisms at the basis of the observed enhancement are analyzed in detail. In the former case, experimental evidence of the enhancement predicted by simulations is provided as well. For what concerns sensing applications, we carried out three fundamental studies. The first concerns metal-coated dielectric wedges for plasmonic nanofocusing. These structures allow at a time an efficient coupling of impinging light to surface plasmon polaritons and their nanofocusing at the ridge. Finite elements method (FEM) was used to design the structure, which has been fabricated by means of FIB milling combined with silicon anisotropic etching and replica molding. Near field, and Raman optical characterizations were used to verify the nanofocusing effect. The second study concerned the individuation and optimization of a plasmonic nanostructure suitable for the implementation in an optoelectronic biosensor based on a high electron mobility phototransistor (HEMT). Three different nanostructures were studied, maximizing their optical response to a surface refractive index variation. The best structure turned out to be an array of triangular grooves on a gold thick film, which has been finally fabricated and characterized in collaboration with the IOM-TASC Laboratory in Trieste. Finally we carried out a study of a class of nanostructures termed as plasmonic vortex lenses, constituted by spiral and circular grooves on a gold surface. The great interest in these structures stems from their ability to couple and focalize impinging circularly polarized light in the form of plasmonic vortices, impressing them an arbitrary orbital angular momentum. We focused in particular on the transmission of such a plasmonic vortices through a hole placed a the lens center, analyzing in detail the angular momentum properties of the transmitted field.
Recentemente un nuova emergente linea di ricerca è diventata sempre più di rilevo in ottica: la plasmonica. Questa disciplina studia le sorprendenti proprietà ottiche dei metalli alla nanoscala, che sono sostanzialmente differenti da quelle a scale macroscopiche, alle quali siamo abituati. Questa tesi presenta diversi studi teorico-numerici nel campo della plasmonica, con fini sia di ricerca di base, sia applicativi negli ambiti del fotovoltaico e della sensoristica. Un problema di fondamentale importanza in plasmonica è lo studio dei modi ottici di Bloch di array planari di nanostrutture metalliche, anche detti plasmonic crystal slabs. Presentiamo qui un metodo numerico, basato sulla tecnica degli elementi finiti, per l’analisi modale di tali strutture, tramite il quale è possibile calcolare le dispersioni complesse sia dei modi di Bloch puramente confinati, sia di quelli radiativi. Presentiamo poi un’estesa analisi delle proprietà ottiche di un ben noto cristallo plasmonico, ovvero il reticolo unidimensionale di nano-strisce metalliche. Ci focalizziamo in particolare sulla possibilità di usare tale nanostruttura come sistema di trapping della luce, per applicazioni al fotovoltaico. A tale scopo consideriamo l’integrazione in una cella solare a silicio cristallino e in una organica a film sottile. In entrambi i casi sono analizzati in dettaglio i meccanismi alla base dell’aumento di assorbimento della luce calcolato. Nel primo caso, inoltre, è fornita evidenza sperimentale dell’enhancement predetto teoricamente. Per quanto riguarda le applicazioni alla sensoristica, sono stati condotti tre studi di base. Il primo concerne nanocunei dielettrici ricoperti da un sottile strato metallico, atti ad ottenere l’effetto del nanofocusing plasmonico. Queste strutture permettono di accoppiare efficientemente la luce a plasmoni polaritoni di superficie che sono quindi focalizzati a dimensioni nanometriche sul bordo dei cunei stessi. Simulazioni agli elementi finiti hanno permesso di progettare la struttura, che è stata poi fabbricata attraverso un processo che combina litografia FIB, etching anisotropo del silicio e replica di stampi dielettrici. Tecniche di caratterizzazione in near field e Raman hanno evidenziato la presenza dell’effetto di nanofocusing desiderato. Il secondo studio ha riguardato l’individuazione e ottimizzazione di opportune nanostrutture plasmoniche adatte per l’implementazione in un biosensore basato su un fototransistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Sono state studiate tre diverse nanostrutture, massimizzando la loro risposta ottica a una variazione di indice di rifrazione superficiale. La migliore struttura si è rivelata un reticolo di solchi triangolari su uno strato d’oro. Tale struttura è stata fabbricata e caratterizzata in collaborazione con l’istituto IOM-TASC di Trieste. Per finire, si è studiata una classe di nanostrutture denominate lenti per vortici plasmonici, costituite da solchi a spirale o circolari praticati su una superficie metallica. Il forte interesse per queste strutture scaturisce dal fatto che sono in grado di accoppiare la luce incidente a plasmoni polaritoni di superficie, imprimendo al campo un momento angolare orbitale. Ci siamo concentrati in particolare sulla trasmissione dei vortici plasmonici attraverso lenti plasmoniche con un buco al centro, analizzando in dettaglio le proprietà di momento angolare del campo trasmesso.

Actin is one of the most aboundant proteins in eukaryotic cells, where it forms a dendridic network (cytoskeleton) beneath the cell membrane providing mechanical stability and performing fundamental tasks in several functions, including cellular motility. The first step in cell locomotion is the protrusion of a leading edge, for which a significant deformation of the membrane is required: this step relies essentially on the forces generated by actin polymerization pushing the plasma membrane outward. Different types of structures can emerge from the plasma membrane, like lamellipodia (quasi-2d actin mesh) and filopodia (parallel actin bundles). The main topic of the research project is the dynamics of bundles of parallel actin filaments growing against barriers, either rigid (a wall) or flexible (a membrane). In the first part of the thesis, the dynamic behavior of bundles of actin filaments growing against a loaded wall is investigated through a generalized version of the standard multi filaments Brownian Ratchet model in which the (de)polymerizing filaments are treated not as rigid rods but as semi-flexible discrete wormlike chains with a realistic value of the persistence length. A Statistical Mechanics framework is built for bundles of actin filaments growing in optical trap apparatus (harmonic external load) and several equilibrium properties are derived from it, like the maximum force that the filaments can exert (stalling force) or the number of filaments in contact with the wall. Besides, Stochastic Dynamic simulations are employed to study the non-equilibrium relaxation of the bundle of filaments growing in the same optical trap apparatus, interpreting the system evolution by a suitable Markovian approach. Thanks to the observed time scale separation between the wall motion and the filament size relaxation, the optical trap set-up allows to extract the full velocity-load curve V(F) -- the velocity at which the obstacle moves when subject to the combined action of the polymerizing filaments and the external load F -- from a single experiment. The main finding is the observation of a systematic evolution of steady non-equilibrium states over three regimes of bundle lengths L. A first threshold length Λ marks the transition between the rigid dynamic regime (L < Λ), characterized by the usual rigid filament load-velocity relationship V(F), and the flexible dynamic regime (L > Λ), where the velocity V(F,L) is an increasing function of the bundle length L at fixed load F, the enhancement being the result of an improved level of work sharing among the filaments induced by flexibility. A second critical length corresponds to the beginning of an unstable regime characterized by a high probability to develop escaping filaments which start growing laterally and thus do not participate anymore to the generation of the polymerization force. This phenomenon prevents the bundle from reaching at this critical length the limit behavior corresponding to Perfect Load Sharing. In the second part of the thesis, filaments growing against a flexible, deformable membrane are studied by means of Langevin dynamics simulations; the membrane is discretized into a dynamically triangulated network of tethered beads, while the filaments are described as chains of bonded monomers. Both the monomers in the filaments and the membrane beads, which interact with each other via a purely repulsive potential, are followed in space and time integrating its equations of motion with a second order accurate scheme. The elastic properties of the membrane are studied in detail via several methods, showing an unprecedentent level of agreement among them. The onset of filopodial protrusions is observed for N>1 filaments growing from beneath the membrane and pushing it upwards, with a velocity which is systematically larger for flexible filaments than for rigid ones. Since filaments are wrapped by the membrane in the protrusion, escaping filaments are not predicted nor observed in this case.