294 research outputs found

    Towards Plasma Charging Visualization

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    Towards Plasma Charging Visualization

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    Modelling bacterial biofilms in spatially heterogeneous environments

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    Biofi lms are communities of one or more species of microorganism which have adhered both together and to a surface. Biofi lms are ubiquitous in nature, with up to 80% of bacterial life on earth estimated to be found in a biofi lm. Bacterial biofi lms are far more resilient to both chemical and physical methods of removal than their planktonic counterparts, which presents numerous challenges in both clinical and industrial scenarios. Therefore, further research into the underlying mechanisms of how these biofi lms develop and survive is essential. This thesis aims to do so via the implementation of various computational modelling techniques. Currently, most computational modelling of biofi lms is done under somewhat idealised conditions, such as uniform antibiotic concentrations and mono-species bio lms, which do not always reflect the complex conditions found in vivo. This thesis therefore also aims to address this problem by using computational models to understand how biofi lms proliferate and resist methods of removal in spatially heterogeneous environments, such as chemical gradients of nutrients and antibiotics, or non-uniform flow fi elds. The thesis takes the form of three distinct projects, which are linked together by this common theme of spatial non-uniformity. Presented fi rst is an investigation into the coupling between nutrient availability and growth-dependent antibiotic susceptibility. This project uses a simple 1D Monte-Carlo model to simulate the advancement of a bacterial population along a spatial antibiotic concentration gradient. Bacterial replication consumes nutrients which in turn lowers the local growth rate, altering the antibiotic susceptibility. The results highlight the differing outcomes for antibiotics which target either slow-growing or fast-growing cells. Following this, the next project investigates the initial stages of biofi lm formation on a surface. This chapter involves a pair of complementary models, a deterministic one, involving a system of differential equations; and a stochastic one, where the individual bacteria are simulated using a modifi ed Γ-leaping algorithm, both again in 1D. By modifying the rates for certain actions which the bacteria undertake, the models predict that under certain conditions biofi lm formation is highly predictable, but for other parameter regimes, bio lm formation becomes more stochastic. In the third project, the stochastic biofi lm formation model described above is extended to develop a model for the formation of biofi lms on a surface which leaches an antimicrobial compound into the surrounding environment, similar to current antifouling coatings used to prevent marine biofouling in the shipping industry. A key difference in this model is the inclusion of multiple bacterial species, each with differing resistances to the applied biocide, intended to represent the biodiversity found in a typical marine environment. Finally, a computational fluid dynamics model is presented, which is used to model the interaction between a micro-structured surface featuring shark skin-like riblets and an enveloping biofi lm, when exposed to an external flow fi eld of various incident flow angles. These riblets are a contemporary solution to reducing hydrodynamic drag, e.g., on ship hulls, but are only effective when their physical shape is unobstructed. Investigating how misaligned riblets can impede, or even prevent, the sloughing of bio lm matter is therefore crucial to optimising their performance

    Micro/Nano Structures and Systems

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    Micro/Nano Structures and Systems: Analysis, Design, Manufacturing, and Reliability is a comprehensive guide that explores the various aspects of micro- and nanostructures and systems. From analysis and design to manufacturing and reliability, this reprint provides a thorough understanding of the latest methods and techniques used in the field. With an emphasis on modern computational and analytical methods and their integration with experimental techniques, this reprint is an invaluable resource for researchers and engineers working in the field of micro- and nanosystems, including micromachines, additive manufacturing at the microscale, micro/nano-electromechanical systems, and more. Written by leading experts in the field, this reprint offers a complete understanding of the physical and mechanical behavior of micro- and nanostructures, making it an essential reference for professionals in this field

    Photonic Sensors Based on Integrated Ring Resonators

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    This thesis investigates the application of integrated ring resonators to different sensing applications. The sensors proposed here rely on the principle of optical whispering gallery mode (WGM) resonance shifts of the resonators. Three distinct sensing applications are investigated to demonstrate the concept: a photonic seismometer, an evanescent field sensor, and a zero-drift Doppler velocimeter. These concepts can be helpful in developing lightweight, compact, and highly sensitive sensors. Successful implementation of these sensors could potentially address sensing requirements for both space and Earth-bound applications. The feasibility of this class of sensors is assessed for seismic, proximity, and vibrational measurements

    Naval Postgraduate School Academic Catalog - February 2023

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    Systematic Approaches for Telemedicine and Data Coordination for COVID-19 in Baja California, Mexico

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    Conference proceedings info: ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologies Raleigh, HI, United States, March 24-26, 2023 Pages 529-542We provide a model for systematic implementation of telemedicine within a large evaluation center for COVID-19 in the area of Baja California, Mexico. Our model is based on human-centric design factors and cross disciplinary collaborations for scalable data-driven enablement of smartphone, cellular, and video Teleconsul-tation technologies to link hospitals, clinics, and emergency medical services for point-of-care assessments of COVID testing, and for subsequent treatment and quar-antine decisions. A multidisciplinary team was rapidly created, in cooperation with different institutions, including: the Autonomous University of Baja California, the Ministry of Health, the Command, Communication and Computer Control Center of the Ministry of the State of Baja California (C4), Colleges of Medicine, and the College of Psychologists. Our objective is to provide information to the public and to evaluate COVID-19 in real time and to track, regional, municipal, and state-wide data in real time that informs supply chains and resource allocation with the anticipation of a surge in COVID-19 cases. RESUMEN Proporcionamos un modelo para la implementación sistemática de la telemedicina dentro de un gran centro de evaluación de COVID-19 en el área de Baja California, México. Nuestro modelo se basa en factores de diseño centrados en el ser humano y colaboraciones interdisciplinarias para la habilitación escalable basada en datos de tecnologías de teleconsulta de teléfonos inteligentes, celulares y video para vincular hospitales, clínicas y servicios médicos de emergencia para evaluaciones de COVID en el punto de atención. pruebas, y para el tratamiento posterior y decisiones de cuarentena. Rápidamente se creó un equipo multidisciplinario, en cooperación con diferentes instituciones, entre ellas: la Universidad Autónoma de Baja California, la Secretaría de Salud, el Centro de Comando, Comunicaciones y Control Informático. de la Secretaría del Estado de Baja California (C4), Facultades de Medicina y Colegio de Psicólogos. Nuestro objetivo es proporcionar información al público y evaluar COVID-19 en tiempo real y rastrear datos regionales, municipales y estatales en tiempo real que informan las cadenas de suministro y la asignación de recursos con la anticipación de un aumento de COVID-19. 19 casos.ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologieshttps://doi.org/10.1007/978-981-99-3236-

    Development of a compact wireless SAW Pirani vacuum microsensor with extended range and sensitivity

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    Vakuumsensoren haben nach wie vor einen begrenzten Messbereich und erfordern eine aufwendige Verkabelung sowie eine komplexe Integration in Vakuumkammern. Ein kompakter Sensor, der in der Lage ist, den Erfassungsbereich zwischen Hochvakuum und Atmosphärendruck zu erweitern und dabei drahtlos zu arbeiten, ist äußerst wünschenswert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Simulation, der Herstellung und der experimentellen Validierung eines drahtlosen kompakten Vakuum-Mikrosensors mit erweiterter Reichweite und Empfindlichkeit. Zunächst wurde ein neuer Sensor unter Verwendung vorhandener und neu entwickelter Komponenten entworfen. Zweitens wurden die Sensorkomponenten simuliert, um ihre Parameter zu optimieren. Drittens wurde ein Prototyp unter Verwendung der verfügbaren Mikrobearbeitungs- und Halbleitertechnologien hergestellt und montiert. Viertens wurde der Prototyp unter Umgebungs- und Vakuumbedingungen charakterisiert, um seine Leistungen zu validieren. Für das Wandlerprinzip wurden zwei Techniken kombiniert, nämlich Pirani-Sensorik und akustische Oberflächenwellen. Das Design der Sensorkomponenten bestand aus vier Einheiten: Sensoreinheit, Heizeinheit, Abfrageeinheit und Gehäuse. Alle Einheiten wurden in einen kompakten Würfel eingebaut. Einige Komponenten wurden neu entwickelt, während andere gekauft, modifiziert und dann miteinander verbunden wurden. Die Sensoreinheit besteht aus einem neuen Chip mit verbesserter Sensorleistung dank eines optimierten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Die Heizeinheit wurde aus zwei induktiv gekoppelten Spulen und der zugehörigen Konditionierungselektronik zusammengesetzt. Die Abfrageeinheit wurde mit einer Mikro-Patch-Antenne hergestellt. Ein würfelförmiges Polymergehäuse wurde entwickelt, um alle Komponenten in einer Vakuumkammer unterzubringen. Zweitens wurde die Simulation des Verhaltens der Sensorkomponenten behandelt. Die für die Druckmessung verantwortliche Wärmeübertragung des Sensorchips wurde vom Hochvakuum bis zum Atmosphärendruck untersucht, um seine Abmessungen zu optimieren. Die Verwendung eines hängenden Lithium-Niobat-Chips mit Y-Z-Schnitt und einem TCF von 94 ppm/K führte zu einer verbesserten Leistung in einem Messbereich zwischen \num{d-4}~Pa und \num{e5}~Pa. Die elektronische Kopplung der Heizspulen wurde ebenfalls simuliert, um die Leistungsübertragung und den Kopplungsabstand zu optimieren. Der dritte Teil betrifft die Herstellungs- und Montageschritte des Prototyps unter Verwendung der verfügbaren Halbleitertechnologien und -ausrüstung. Ein SAW Chip wurde mit einer 100~nm dicken Goldschicht an der Unterseite gesputtert, um den Heizwiderstand zu bilden, und mit Hilfe von Drahtbonding elektrisch mit dem Rest des Sensors verbunden. Es wurde eine Leiterplatte vorbereitet, die die Heiz- und Sensoreinheit enthält. Ein kubisches Gehäusewurde aus PTFE hergestellt. Viertens wurden die Sensorkomponenten zunächst separat charakterisiert, um ihre Leistungen zu überprüfen, und dann zusammen unter Umgebungsbedingungen. Später wurde der Sensor im Vakuum integriert, und es wurde ein druckabhängiges Verhalten des Sensorchips beobachtet. Die Relevanz eines drahtlosen Übertragungsverfahrens wurde den herkömmlichen drahtgebundenen Methoden gegenübergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten außerhalb und innerhalb des Vakuums zeigten die Machbarkeit und Relevanz des neuen Konzepts

    Innovative designs and applications of Janus micromotors with (photo)-catalytic and magnetic motion

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    El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el diseño y desarrollo de micromotores Janus biocompatibles y su aplicación en ámbitos relevantes de la salud y de la protección medioambiental. Los micromotores Janus son dispositivos en la microescala autopropulsados que tienen al menos dos regiones en su superficie con diferentes propiedades físicas y químicas, lo que les convierte en una clase distintiva de materiales que pueden combinar características ópticas, magnéticas y eléctricas en una sola entidad. Como la naturaleza del micromotor Janus -el dios romano de las dos caras- los objetivos de esta Tesis Doctoral presentan naturaleza dual y comprenden desarrollos de química fundamental y de química aplicada. En efecto, por una parte, el objetivo central aborda el diseño, síntesis y ensamblaje, así como la caracterización de micromotores Janus poliméricos propulsados por mecanismos (foto)-catalíticos y/o accionados por campos magnéticos. Por otra parte, el objetivo central implica la aplicación de los micromotores desarrollados para resolver desafíos sociales relevantes en los ámbitos químico-analítico, biomédico y ambiental. Partiendo de estas premisas, en la primera parte de la Tesis Doctoral, se sintetizaron micromotores Janus de policaprolactona propulsados químicamente integrando nanomateriales para el diseño de sensores móviles para la detección selectiva de endotoxinas bacterianas. De esta forma, el movimiento autónomo del micromotor mejora la mezcla de fluidos y la eficacia de las reacciones implicadas permitiendo detectar el analito en pocos minutos, incluso en muestras viscosas y medios donde la agitación no es posible. Además, esta autopropulsión es altamente compatible con su empleo en formatos ultra-miniaturizados para el desarrollo de futuros dispositivos portátiles en el marco de la tecnología point of care para aplicaciones clínicas y agroalimentarias. Con el fin de incrementar su biocompatibilidad para aplicaciones in vivo, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se diseñaron micromotores Janus con propulsión autónoma utilizando luz visible para la eliminación de toxinas relevantes en procesos inflamatorios. El fenómeno autopropulsivo del micromotor y su capacidad de interacción con agentes tóxicos condujo a metodologías más rápidas y eficaces infiriéndose un futuro prometedor de estos micromotores para el tratamiento del shock séptico o intoxicación. En una tercera etapa, se sintetizaron micromotores propulsados por campos magnéticos. Estos micromotores utilizan una aproximación elegante de propulsión, exenta del empleo de combustibles químicos tóxicos como sucede en la propulsión catalítica y, en consecuencia, biocompatible. Asimismo, este mecanismo propulsivo permite controlar e incluso programar su trayectoria para aplicaciones que requieran de un guiado y de un control preciso de esta. De manera específica, estos micromotores han sido aplicados en esta Tesis Doctoral para la liberación controlada de fármacos en el tratamiento de cáncer pancreático y como elementos de remediación ambiental en la eliminación de agentes nerviosos en aguas contaminadas
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