Giorgio Di Ludovico, TECNOVA Migliorare l’isolamento termico degli edifici s...infoprogetto
Fino ad oggi, per isolare termicamente un edificio, era necessario ricorrere a sistemi classici che prevedono un aumento degli spessori. Questa soluzione non è sempre praticabile, per esigenze tecniche ma anche economiche. Oggi è disponibile una nuova, rivoluzionaria tecnologia, che nasce dalla ricerca spaziale della Nasa per la creazione dello scudo termico dello Space Shuttle.
Giorgio Di Ludovico, TECNOVA Migliorare l’isolamento termico degli edifici s...infoprogetto
Fino ad oggi, per isolare termicamente un edificio, era necessario ricorrere a sistemi classici che prevedono un aumento degli spessori. Questa soluzione non è sempre praticabile, per esigenze tecniche ma anche economiche. Oggi è disponibile una nuova, rivoluzionaria tecnologia, che nasce dalla ricerca spaziale della Nasa per la creazione dello scudo termico dello Space Shuttle.
Caratterizzazione di membrane osmotiche per forward osmosis e pressure retard...Danilo Sanfilippo
A great quantity of renewable energy can be potentially generated when waters of different salinities are mixed together. The harnessing of this energy for conversion into power can be accomplished by means of the Pressure Retarded Osmosis (PRO). This technique uses a semipermeable membrane to separate a less concentrated solution, or solvent, from a more concentrated and pressurized solution, allowing the solvent to pass to the concentrated solution side. The additional volume increases the pressure on this side, which can be depressurized by a hydroturbine to produce power
Geotermia in Toscana e Ungheria: 3 progetti studiatiLuca Madiai
La geotermia e i suoi possibili sviluppi in Toscana e in Ungheria due aree dell'Unione Europea con vaste ma differenti risorse geotermiche. Le due aree si prestano a un maggior sviluppo nello sfruttamento della geotermia (sia per usi termici che di potenza) e in una stretta collaborazione in questo campo di ricerca.
Presentazione della tesi di laurea del 22 luglio 2010. Lavoro svolto in collaborazione con l'istituto di geofisica di Budapest Eotvos Lorand (ELGI) e con l'utilizzo di due borse di studi : Erasmus Placement e la borsa del Ministero degli Affari Esteri italiano.
SUPERCONDUTTIVITA’ IN
RADIOFREQUENZA APPLICATA ALLE
CAVITA’ ACCELERATRICI:
DEPOSIZIONE PER SPUTTERING DI
FILM SOTTILI DI NIOBIO E RELATIVA
CORRELAZIONE FRA MORFOLOGIA,
MICROSTRUTTURA E PROPRIETA’
ELETTRICHE
Il progetto NPFP si propone di sviluppare e applicare nuovi paradigmi che costituiscano una svolta nella progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare:
Paradigma 1 (P1): “Progettazione e produzione mediante nuove tecnologie”
Paradigma 2 (P2): “Controllo del processo dalle proprietà del prodotto trasformato”
Principali filiere coinvolte: Alimentare, Meccanica, Regolamentazione, ICT.
Sito web del progetto: www.npfp.it
Atomic Plane Resolution Electron Magnetic Circular DichroismRiccardo Di Stefano
The document provides an overview of magnetic measurements using atomic-plane resolution electron magnetic circular dichroism (APR-EMCD). APR-EMCD allows for magnetic measurements with atomic resolution by using a convergent atomic-sized electron probe in a three-beam condition. In a single acquisition, APR-EMCD can obtain an annular dark field image, thickness information, and left and right circularly polarized EELS spectra to measure the EMCD effect without needing to modify conventional STEM microscopes. Experiments on 30nm thin Fe samples demonstrated the localization of the APR-EMCD signal at positions ±d/4 from lattice planes in agreement with simulations. Data analysis using canonical polyadic decomposition helped identify the magnetic
Caratterizzazione di membrane osmotiche per forward osmosis e pressure retard...Danilo Sanfilippo
A great quantity of renewable energy can be potentially generated when waters of different salinities are mixed together. The harnessing of this energy for conversion into power can be accomplished by means of the Pressure Retarded Osmosis (PRO). This technique uses a semipermeable membrane to separate a less concentrated solution, or solvent, from a more concentrated and pressurized solution, allowing the solvent to pass to the concentrated solution side. The additional volume increases the pressure on this side, which can be depressurized by a hydroturbine to produce power
Geotermia in Toscana e Ungheria: 3 progetti studiatiLuca Madiai
La geotermia e i suoi possibili sviluppi in Toscana e in Ungheria due aree dell'Unione Europea con vaste ma differenti risorse geotermiche. Le due aree si prestano a un maggior sviluppo nello sfruttamento della geotermia (sia per usi termici che di potenza) e in una stretta collaborazione in questo campo di ricerca.
Presentazione della tesi di laurea del 22 luglio 2010. Lavoro svolto in collaborazione con l'istituto di geofisica di Budapest Eotvos Lorand (ELGI) e con l'utilizzo di due borse di studi : Erasmus Placement e la borsa del Ministero degli Affari Esteri italiano.
SUPERCONDUTTIVITA’ IN
RADIOFREQUENZA APPLICATA ALLE
CAVITA’ ACCELERATRICI:
DEPOSIZIONE PER SPUTTERING DI
FILM SOTTILI DI NIOBIO E RELATIVA
CORRELAZIONE FRA MORFOLOGIA,
MICROSTRUTTURA E PROPRIETA’
ELETTRICHE
Il progetto NPFP si propone di sviluppare e applicare nuovi paradigmi che costituiscano una svolta nella progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare:
Paradigma 1 (P1): “Progettazione e produzione mediante nuove tecnologie”
Paradigma 2 (P2): “Controllo del processo dalle proprietà del prodotto trasformato”
Principali filiere coinvolte: Alimentare, Meccanica, Regolamentazione, ICT.
Sito web del progetto: www.npfp.it
Similar to Modello microdosimetrico termico di neuroni esposti ad impulsi elettrici di nanosecondi (10)
Atomic Plane Resolution Electron Magnetic Circular DichroismRiccardo Di Stefano
The document provides an overview of magnetic measurements using atomic-plane resolution electron magnetic circular dichroism (APR-EMCD). APR-EMCD allows for magnetic measurements with atomic resolution by using a convergent atomic-sized electron probe in a three-beam condition. In a single acquisition, APR-EMCD can obtain an annular dark field image, thickness information, and left and right circularly polarized EELS spectra to measure the EMCD effect without needing to modify conventional STEM microscopes. Experiments on 30nm thin Fe samples demonstrated the localization of the APR-EMCD signal at positions ±d/4 from lattice planes in agreement with simulations. Data analysis using canonical polyadic decomposition helped identify the magnetic
Modello microdosimetrico termico di neuroni esposti ad impulsi elettrici di nanosecondi
1. MODELLO MICRODOSIMETRICO TERMICO DI
NEURONI ESPOSTI AD IMPULSI ELETTRICI DI
NANOSECONDI
Candidato
Riccardo Di Stefano
Relatore Correlatore
Micaela Liberti Agnese Denzi
2. Denzi et al. (2015)
ELETTROPORAZIONE DELLE MEMBRANE PLASMATICHE
Un NanoPulse (NP)
Denzi et al. (2015)
Levine & Vernier (2010)
TMP =1 V
(soglia di porazione)
3. IL DIBATTITO SCIENTIFICO
Ma è solo questo l’effetto dei NPs su una membrana plasmatica?
• Apertura di pori
• Alterazione conformazionale delle proteine di membrana
• Ossidazione lipidica
• Effetti termici:
Transizione di fase dei lipidi
Alterazione delle costanti cinetiche dei canali di membrana
4. EFFETTI TERMICI
Croce et al. (2010)
Modello di cellula sferica
R = 1 mm
R=1 mm
NPs di durata 1 ns inducono incrementi di T di ~5 K
Inpulsi di 10 ns inducono incrementi di T di ~1.5 K
5. OUTLINE
Il lavoro svolto consta di tre fasi
• Una ricerca bibliografica atta al reperimento di parametri termici e
di massa di citoplasma, mezzo extracellulare e membrana
plasmatica.
• Simulazioni su un modello geometrico bidimensionale realistico di
un neurone esposto a NPs di 1 ns e 10 ns per introdurre un ulteriore
grado di realismo rispetto alla geometria sferica.
• Analisi qualitativa e quantitativa dei campi elettrici e termici che si
sviluppano nei domini del neurone.
6. CITOPLASMA E MEZZO EXTRACELLULARE: CONDUCIBILITA’ TERMICHE
Citoplasma/mezzo esterno
grandezza mezzo rif. valore [W/(m∙K)] Metodo
k
Acqua
Kharisov et al
2016
0.6
• Citoplasma approssimato
con H2O
• 298.15 K
Garner et al
2013
0.577
• Mezzo esterno
approssimato con H2O
• 320 K
Sengers e Watson
1986
Tabella 3
• Secondo Lide D. R., sono i
dati più attendibili –
standard reference.
• Fitting di dati sperimentali
• 273.15 ≤ T ≤ 373.15 K
Ramires et al
1994
k*=-1.48445+4.12292∙T*-1.6866∙T*2
T*=T/298.15
k*=k(T)/k(273.15,0.1 MPa)
k(273.15, 0.1 MPa) = 0.6065 ±
0.0036 W/(m∙K)
• TCHW1
• fitting su vari set di misure
sperimentali di alta qualità
• COMSOL Material Library
• 274 ≤ T ≤ 370 K
Nakano et al
2010
0.82
• NEMD2 (bulk TIP3P)
• NAMD o GROMACS
• 335 ≤ T ≤ 342 K
Patel et al
2005
0.7
• MD (bulk TIP3P)
• 330 K
Eckert e Drake
1987
𝑘 = −0.869083936 +
0.00894880345 ∙ 𝑇 − 1.58366345 ∙
10−5 ∙ 𝑇2 + 7.97543259 ∙ 10−9 ∙ 𝑇3
• COMSOL Built-in Material
• 273.15 ≤ T ≤ 553.75 K
Gartner et al
1981
0.577
• Fonte non citata
• 308.15 K
T [K]
k[W/m∙K]
Nakano et al. 2010
Ramires et al. 1994 (Comsol Mat.Lib)
Eckert and Drake 1987 (Comsol Built-in)
Sengers and Watson 1986
Kharisov et al. 2016
Garner et al. 2013
Patel et al. 2005
Croce et al. 2010 – Gartner et al. 1981
𝑘 = 0.62
𝑊
m∙K
7. CITOPLASMA E MEZZO EXTRACELLULARE: CALORE SPECIFICO
Citoplasma/mezzo esterno
grandezza mezzo rif. Valore/Funzione [J/(kg ∙ K)] Metodo
Cp
Acqua
Zábranský
2001
12010.1471 − 80.4072879 ∙
𝑇 + 0.309866854 ∙ 𝑇2 −
5.38186884 ∙ 10−4 ∙ 𝑇3 +
3.62536437 ∙ 10−7 ∙ 𝑇4
• COMSOL Built-in Material
• Fitting di dati
sperimentali.
• 273.15 ≤ T ≤ 553.75 K
Pankratz e Mrazek
1982
4035.841 + 0.492312 ∙ 𝑇
• COMSOL Material Library
• 293 ≤ T ≤ 373 K
Osborne et al 1939
[4.169828 +
0.000364(𝑡 + 100)
5
.
26
∙ 10−10 +
0.046709 ∙ 10
−
0
.
036𝑡
] ∙ 103
• Fitting su dati
sperimentali da apparato
calorimetrico
(riscaldamento elettrico)
• t è la temperatura
espressa in °C e il range di
validità è [0,100] °C
Marsh
1987
Tabella 7
• Secondo CRC handbook
(Lide) sono i dati più
attendibili – standard
reference.
• 273.15 ≤ T ≤ 373,15 K
Gartner et al
1981
4178
• Utilizzato per la
modellizazione del
citoplasma.
• Fonte originaria non citata
• 308,15 K
de Haas 1950 4185.5
• Valore citato da Sato et al
(1991)
• 288.15 K
𝐶 𝑝 = 4178 𝐽/(kg∙K)
8. MEMBRANA CELLULARE: CONDUCIBILITA’ TERMICA
Membrana
grandezza mezzo rif. valore [W/(m∙K)] Metodo
k
DPPC
DLPC
SMPC
(fluidi,
avg.
T=340K)
Nakano et al
2010
2013
DPPC (Tmelt=314,8K)
0,25 medio, trasversale
330 < T < 345 K
0,10 medio, ≈costante,
parallelo
334 < T < 341 K
• RNEMD
• Acqua TIP3P
• Potenziale
United-atom di
Smondyrev-
Berkowitz
• Si usano
sorgenti e pozzi
termici.
• Probabile NAMD
o GROMACS.
• Termostato e
barostato di
Berendsen
DLPC (Tmelt=271K)
0,21 medio, trasversale
331 < T < 346 K
0,11 medio, ≈costante,
parallelo
335 < T < 342 K
SMPC (Tmelt=305,4K)
0,33 medio, trasversale
333 < T < 345 K
0,11 medio, ≈costante,
parallelo
335 < T < 342 K
DPPC
(fluido)
Müller e Müller-
Plathe 2010
Integrabile (Tmelt=314,8K)
• RNEMD (fase
fluida)
• 325 K
Generico Croce et al 2010 0,2 • Film d’olio 𝑘 𝑚 = 0.2
𝑊
m∙K
La membrana plasmatica ha
comportamento termico anisotropico.
9. MEMBRANA CELLULARE: CALORE SPECIFICO
Kyrikou
et al. (2004)
Kreutzberger
et al. (2015)
Le membrane di vescicole lipidiche possono
subire transizione di fase gel-liquido cristallino
𝐶 𝑝 = 2000
𝐽
kg∙K
10. MODELLO GEOMETRICO DEL NEURONE
Spessore membrana = 5 nm
Φ ≈ 21 μm
≈ 109 μm
400 μm
5 nm
y[μm]
Mezzo esterno Membrana Mezzo interno
Numero di elementi 1771690 488939 1709114
Minima qualità degli elementi 0.2266 0.1196 0.3704
Qualità media degli elementi 0.9282 0.737 0.9236
Processore: Xeon E5 20620 V3 6/12 cores, 2.4 GHz
RAM: 64 GB
Tempi di una simulazione e di mesh: 7-10 ore.
V(t)
Mesh in COMSOL
V=0
GEOMETRIA
11. MODULO CORRENTI ELETTRICHE DI COMSOL
𝛻 ∙ Ԧ𝑗 = 𝑄𝑗 Conservazione delle correnti
Ԧ𝑗 = 𝜎𝐸 +
𝑑𝐷
𝑑𝑡
+ Ԧ𝑗 𝑒 Bilancio delle correnti
𝐸 = −𝛻𝑉
𝐷 = −𝜀0 𝜖 𝑟 𝐸
𝑛 ∙ Ԧ𝑗 = 0 Isolamento elettrico delle pareti orizzonatali.
𝑉 = 𝑉0 Applicazione di un potenziale all’armatura sinistra.
𝑉 = 0 𝑉 Imposizione di una massa all’armatura destra.
𝑛2 ∙ (Ԧ𝑗1 − Ԧ𝑗2) = 0 Continuità della corrente alle interfacce.
CONDIZIONI AL CONTORNOSISTEMA DI EQUAZIONI
𝑉 = 0 𝑉
CONDIZIONI INIZIALI
Smussamento
polinomiale di 5°
grado
10 MV/m
1 MV/m
Durata impulso : 1 ns
Durata transizioni: 0.2 ns
Durata impulso : 10 ns
Durata transizioni: 2 ns
12. MODULO TRASMISSIONE DEL CALORE
• 𝜌𝐶 𝑝
𝑑𝑇
𝑑𝑡
+ 𝜌𝐶 𝑝 𝑢 ∙ 𝛻𝑇 = 𝛻 ∙ (𝑘𝛻T) + 𝑄 𝑒 • Bilancio di calore
• Ԧ𝑞 = −𝑑 𝑧 𝑘𝛻𝑇 • Eq. Di Fourier
• 𝑄 𝑒 = Ԧ𝐽 ∙ 𝐸 • Dissipazione per effetto Joule
• −𝑛 ∙ −𝑘𝛻𝑇 = 𝑄 𝑏 • Perdite di superficie
SISTEMA DI EQUAZIONI
• −𝑛 ∙ Ԧ𝑞 = 0 Pareti esterne adiabatiche
• 𝑇1 = 𝑇2 Continuità delle temprature alle interfacce interne
CONDIZIONI AL CONTORNO
• 𝑇 = 310.15 𝐾 Temperatura prescritta in tutti i domini
CONDIZIONI INIZIALI
TRASMISSIONE DEL CALORE
mezzo
extracellulare
membrana Citoplasma
σ [S/m]
1.5 (DMEM)
0.0027 (Sucrose)
1.1∙10-7 0.3
εr 72.5 11.7 67
ρ [kg/m3] 993.2 915.1 993.2
k [W/m/K)] 0.62 0.2 0.62
Cp [J/kg/K] 4178 2000 4178
Attribuzione dei parametri
elettrici e termici ai domini del
sistema
21. CONCLUSIONI
E’ stata condotta un’ampia ricerca bibliografica che ha evidenziato difficoltà nel reperire paramentri termici del
citoplasma e delle membrane biologiche. La fenomenologia della trasmissione termica in membrane
plasmatiche è infatti pressochè inesplorata.
Sono state effettuate simulazioni su un neurone con geometria realistica, in soluzione di DMEM e Sucrose,
esposto ad impulsi trapezoidali della durata di 1 ns e 10 ns. Sono state individuate le soglie di porazione e sono
state condotte nuove simulazioni alla soglia di porazione.
L’analisi termica ha evidenziato che gli incrementi di temperatura massimi in membrana è dell’ordine 10-2 o
10-3 K a seconda delle condizioni. Seppure bassi, non è da escludere che possano comunque essere rilevanti in
alcuni processi biologici. L’entità degli incrementi termici giustifica l’impiego di parametri costanti.
Gli incrementi di temperatura non sono lineari con il campo applicato.
I risultati sono in accordo con quelli di Croce et al. (2010) ad eccezione delle temperature nel
citoplasma.
22. Bibliografia
[1] Denzi, A. et al. Assessment of Cytoplasm Conductivity by Nanosecond Pulsed Electric Fields. IEEE
Transactions on Biomedical Engineering 62, 1595–1603 (2015).
[2] Levine, Z. A. & Vernier, P. T. Life Cycle of an Electropore: Field-Dependent and Field-Independent Steps in
Pore Creation and Annihilation. The Journal of Membrane Biology 236, 27–36 (2010).
[3] Kyrikou, I. et al. The modulation of thermal properties of vinblastine by cholesterol in membrane bilayers.
Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes 1661, 1–8 (2004).
[4] Kreutzberger, M. A., Tejada, E., Wang, Y. & Almeida, P. F. GUVs Melt Like LUVs: The Large Heat Capacity
of MLVs Is Not Due to Large Size or Small Curvature. Biophysical Journal 108, 2619–2622 (2015).