Dynamics of complex fluids in external flows and fields

Pola zewnętrzne oraz przepływy istotnie modyfikują dynamikę i morfologię zawiesin. Na przykład zawiesina β-amyloidów – białek, których agregacja towarzyszy ludzkim chorobom takim jak choroba Alzheimera czy beta-amyloidoza. Jeśli spoczywa w naczyniu w temperaturze pokojowej nie obserwuje się agregacji. Wprowadzenie lekkiego przepływu sprawia, że agregacja rozpoczyna się i przyspiesza wraz ze zwiększaniem tempa przepływu aż do momentu, gdy zupełnie ustaje. W zależności od początkowego stężenia białek fibryle, które powstają w wyniku agregacji mają różne własności: dla małych stężeń (ułamek objętościowy poniżej 1%) są sztywne, a dla dużych giętkie. Podobne zachowania można odnaleźć wśród innych białek istotnych z punktu widzenia biologii i medycyny jak na przykład insulina czy albumina. Eksperymentalne obserwacje procesu agregacji wykonywane są na dwa sposoby, które istotnie zaburzają próbkę. Bezpośrednio badanie agregacji polega na pobraniu próbki zawiesiny, którą następnie zbadać można mikroskopem sił atomowych. Taki pomiar zupełnie zmienia środowisko, w którym znajduje się agregat podczas agregacji i podczas pomiaru. Pośredni pomiar polega na dodaniu tioflawiny-T, która przyłączona do fibryli wykazuje fluorescencję. Interpretacja takich pomiarów jest bardzo prosta: im większa fluorescencja w układzie – tym większe zagregowanie układu, choć jest to pomiar pośredni i nie wiadomo jak obecność cząstek tioflawiny-T wpływa na proces agregacji. Niniejsza rozprawa doktorska podejmuje próbę zrozumienia mechaniki agregacji w przepływie ścinającym, który najczęściej pojawia się w eksperymentach z agregacją biopolimerów w przepływie. Ponieważ agregacja i tworzenie się fibryli występuje w różnorodnych układach biologicznych praca ma na celu zbadanie zjawisk, które są możliwie ogólne ze szczególnym akcentem na wpływ oddziaływań hydrodynamicznych. Oddziaływania hydrodynamiczne są wielocząstkowymi oddziaływaniami, które przenoszone są poprzez ośrodek ciągły pomiędzy cząstkami zawiesiny. Wynikają z rozwiązania równań Stokesa, które opisuje ruch ośrodka ciągłego pomiędzy cząstkami zawiesiny. Bez oddziaływań hydrodynamicznych współczynnik dyfuzji poszczególnych cząstek nie zależałby od ich położenia, Dla zawiesiny kul znane jest dokładne rozwiązanie zagadnienia Stokesa, jednak jego złożoność obliczeniowa jest zbyt wielka, żeby przeprowadzać symulacje dla układów, które mogą mieć interpretację biologiczną. W rezultacie wprowadzane są przybliżenia, z których najpowszechniej stosowanym jest przybliżenie Rotne-Pragera-Yamakawy, które zakłada, że cząstki w zawiesinie są kulami ale uwzględnia jedynie oddziaływania pomiędzy parami kul w pierwszym rzędzie szeregu rozproszeniowego. Częścią niniejszej rozprawy było uogólnienie przybliżenia Rotne-Pragera-Yamakawy na cząstki przekrywające się o różnych promieniach oraz wypisanie macierzy mobilności w przypadku periodycznych warunków brzegowych Leesa-Edwardsa, które są niezbędne do przeprowadzenia symulacji zawiesiny w przepływie ścinającym. Dzięki uogólnieniu na cząstki przekrywające się podczas symulacji, nawet gdy cząstki z powodów numerycznych przekryją się, macierz mobilności pozostaje dodatnio określona i nie jest konieczne śledzenie zderzeń cząstek, co znacznie przyspiesza symulację. Przeanalizowane zostało tempo agregacji kul brownowskich w granicy bardzo rozrzedzonej zawiesiny w przepływie ścinającym. Zagadnienie to posiada analityczne rozwiązanie w przypadku bez oddziaływań hydrodynamicznych i bez przepływu zewnętrznego. Z oddziaływaniami hydrodynamicznymi znane jest stacjonarne asymptotyczne rozwiązanie w granicy słabych i silnych temp ścinania. W reżimie umiarkowanym, kiedy dyfuzja jest porównywalna z adwekcją niezbędne jest numeryczne wyznaczenie tempa agregacji. Na podstawie analizy danych z przeprowadzonych symulacji zaproponowane zostały fenomenologiczne wzory na tempo agregacji w rozrzedzonej zawiesinie zależne od tempa ścinania. Wyniki symulacji w granicy słabych i silnych przepływów zgadzały się z przewidywaniami teoretycznymi. Wykonany został szereg symulacji agregacji kul oraz polimerów zbudowanych z pięciu kul, które połączone są ze sobą potencjałem harmonicznym na rozciąganie i zginanie na tyle silnym, aby ich kształt pozostawał liniowy. Poszczególne kule oddziaływały ze sobą potencjałem Lennarda-Jonesa o głębokości pięciokrotnie większej niż energia fluktuacji termicznych. Przeprowadzone zostały dwie klasy symulacji: pierwsza pomijająca oddziaływania hydrodynamiczne a druga uwzględniająca oddziaływania hydrodynamiczne w przybliżeniu Rotne-Pragera-Yamakawy. Symulacje dla ułamka objętościowego 1% bez przepływu wykazały dobrą zgodność z modelem rozrzedzonej zawiesiny zarówno bez oddziaływań hydrodynamicznych jak i z oddziaływaniami hydrodynamicznymi. Dla ułamka objętościowego 5% wystąpiły efekty, których model rozrzedzonej zawiesiny nie opisuje takie jak rozpad rozciągłych agregatów na mniejsze o globularnym kształcie. Pokazane zostało, że współczynnik dyfuzji agregatu skaluje się inaczej z liczbą cząstek zależnie od zastosowanego modelu oddziaływań hydrodynamicznych. Gdy w układzie pojawia się przepływ agregaty w symulacjach bez oddziaływań hydrodynamicznych zachowują się jakościowo inaczej niż agregaty w symulacjach z oddziaływaniami hydrodynamicznymi. Bez oddziaływań hydrodynamicznych agregaty tworzą wydłużone w kierunku przepływu fibryle, natomiast z oddziaływaniami hydrodynamicznymi agregaty to rotujące globule a w przypadku silnych przepływów globule spłaszczone w kierunku wektora rotacji. Następuje również jakościowa zmiana w kinetyce agregacji, gdzie oddziaływania hydrodynamiczne znacząco przyspieszają ten proces. Tym samym wykazano, że rozpatrywanie procesu agregacji, który łączy wiele skal czas czasowych i przestrzennych bez oddziaływań hydrodynamicznych prowadzi do jakościowo niewłaściwych wyników. Zaproponowano teoretyczny model wyjaśniający kształt agregatu w przepływie z oddziaływaniami hydrodynamicznymi oraz stabilność agregatu. Rezultaty wynikające z modelu teoretycznego dobrze wyjaśniają wyniki symulacji. W przypadku agregatów zbudowanych ze słabo i niespecyficznie oddziałujących cząstek stabilność agregatu rośnie wraz z jego rozmiarem, co jest wynikiem jakościowo innym od tego co dzieje się w przypadku sztywnych silnie oddziałujących ze sobą agregatów, gdzie rozmiar agregatu ograniczony jest przez wewnętrzne naprężenia powstające w przepływie ścinającym. Pokazano, że stabilność agregatu o ustalonym rozmiarze maleje wraz ze wzrostem tempa ścinania. Ten mechanizm prowadzi do zaniku agregacji w zbyt silnych przepływach. Pokazano, że zachowanie te są uniwersalne ze względu na kształt cząstek budujących agregat. Zachowanie układu zbudowanego z kul i liniowych polimerów od pewnego momentu stawało się nie odróżnialne. Oznacza to, że wyniki mogą być stosowane i pomagać w zrozumieniu agregacji na wielu skalach czasowych i przestrzennych o ile spełnione jest wymaganie słabego oddziaływania cząstek w zawiesinie.External fields modify the dynamics and morphology of suspensions. For example a suspension of β‑amyloid – protein, which aggregation accompanies human diseases like Alzheimer disease or amyloidosis. In quiescent fluid in room temperature there is no aggregation. However, the introduction of the shear flow triggers the aggregation. The suspension aggregates quicker with increasing shear rate up to a certain point when it begins to slow down and eventually stops. Depending on the initial concentration of the particles the fibril shaped aggregates have different properties: for small concentrations (volume fraction below 1%) they are stiff while for large concentrations they are flexible. Similar behavior can be found among other biologically relevant proteins like insulin or albumin. There are two main approaches to the measurements in protein aggregation experiments. Both bias the sample. Direct measurement can be carried with atomic force microscope after taking a sample from the suspension. Indirect measurement involves adding thioflavin-T to the sample. The thioflavin-T binds with fibrils and shows fluorescence. The interpretation of the measurements is simple – the more fluorescence the more fibrils, even though there is now knowledge about influence of thioflavin-T on the aggregation of proteins. This dissertation aims to understand the mechanics of the aggregation process in the shear flow. Because the aggregation appears in various biologically relevant situations it is to investigate phenomena in as general way as possible with special accent on the influence of the hydrodynamic interactions. Hydrodynamic interactions are mediated by the medium in which particles are suspended. They depend on the position of all particles in the suspension and result from the solution of the Stokes equation. Without hydrodynamic interactions the diffusion coefficient of the particles in the suspension would be independent of the particle position. For the suspension of spherical particles it is known how to solve the Stokes equation with arbitrary precision, however the numerical complexity of solution makes it useless for biologically relevant applications. There are various approximations present, among which the most popular is the Rotne-Prager-Yamakawa approximation. It assumes that particles are spherical and interact pairwise up to the first order in scattering series. A part of this dissertation was a generalization of Rotne-Prager-Yamakawa approximation for the overlapping particles with different radii and to write down the mobility matrices for Lees-Edwards periodic boundary conditions. The latter was essential to simulate suspension in a shear flow. Since the mobility matrices for the overlapping particles are known and remain positive definite there is no need for collision tracking in order to prevent overlaps. This accelerates the simulations. The aggregation of the Brownian spheres in the dilute limit was analyzed. The time dependent aggregation ratio has analytical solution in the case without hydrodynamic interactions and without shear flow. With hydrodynamic interactions only a stationary aggregation is known without the shear flow and in the asymptotic limit of low shear rate and in the asymptotic limit of high shear rate. In the regime where advection and diffusion are comparable numerical methods are necessary. Based on Brownian dynamics simulations a phenomenological formulas for aggregation rate in the dilute solution as function of shear rate were proposed. The results of simulations were in good agreement with theoretical predictions. A set of simulations of aggregating spheres and linear polymers were done in non-dilute regime. Polymers were constructed from five spherical beads connected with stiff harmonic potential for extension and pending to preserve linear shape. Particles interacted with each other with Lennard-Jones potential with depth only five times deeper than the energy of thermal fluctuations. There were two major classes of simulations: including hydrodynamic interactions in Rotne-Prager-Yamakawa approximation and neglecting hydrodynamic interactions. The simulations of the aggregating spheres for the 1% volume fraction were in a good agreement with the dilute solution model both with and without hydrodynamic interactions. For 5% volume fractions additional effects appeared, that cannot be explained with dilute model such as rapid formation of spatially extended aggregates an then breakage into smaller ones of more globular shape. It was show that there is a different scaling of diffusion coefficient of an aggregate depending on the applied model of hydrodynamic interactions. When the shear flow is introduced to the system the aggregates manifest qualitatively different behavior depending on whether hydrodynamic interactions are present or not. Without hydrodynamic interactions aggregates are formed in fibrils elongated in the direction of the flow, whereas with hydrodynamic interactions aggregates form rotating globules which become oblate for large shear rates. The aggregation proceeds quicker when hydrodynamic interactions are present. Thus it was shown that investigating aggregation process or any process including multiple time and length scales without hydrodynamic interactions will likely give qualitatively wrong results. The shape and stability of aggregates was investigated further. An analytic model was proposed that explained both shape and stability of the aggregate. It was shown that in case of weakly interacting particles the stability of the aggregate grows with its size and decreases with the shear rate. The growth of stability is a result that is qualitatively different to strongly interacting particles. When stiff structure is formed, internal tensions build up with the particle size and eventually the aggregate cracks. It was shown that described above behavior is universal in the sense of monomer shape. All the phenomena observed for spheres were also present for linear polymers. Furthermore once aggregate become big enough to cover the details of single particles the systems become indistinguishable in all aspects but stability which is higher for polymers that have multiple interaction centers. This means that the results ca be applied to multiple length and time scales thus to multiple stages of aggregation. The only restriction is that particles have to interact weakly

Frank Gehry’s new museum in Paris

The article describes the circumstances surrounding the construction of the new Parisian museum by Frank Gehry. From the beginning dynamic form of Louis Vuitton Foundation for Creation induce various associations among critics of architecture. Kim Willsher asks in the title of her article “Is it a cloud? Is it a cocoon?”. Leigh Silver invents even weirder comparison: “(...) Frank Gehry created a new structure in Paris looks like a robotic insect or an alien hive”. Another controversial project made by prominent architect caused a multitude of protests in the city considered to be open to the modern architecture

What has Richard Rogers been hit with an umbrella for?

The article describes a little-known fact about the very well-known building that is the Paris Pompidou Centre. In an era of social revolution, the project was a kind of revolution in the world of architecture. Renzo Piano and Richard Rogers changed the story of architecture almost unwittingly by playing with it

Renzo Piano Museums. Sketch as synthesis of thought

Renzo Piano believes that freehand drawing gives freedom, it is instinctive, and its imperfection provokes change and continuous improvement. The briefness of the sketch forces us into a synthetic way of thinking and to capture only the essence of things. Based on examples of Renzo Piano’s works from different periods, we can observe the evolution of his very personal vision of the museum, his thinking about form, the relationship with the environment, with the audience and finally his approach to issues of natural lighting in an exhibition space

Thermodynamics of stationary states of the ideal gas in a heat flow

There is a long-standing question as to whether and to what extent it is possible to describe nonequilibrium systems in stationary states in terms of global thermodynamic functions. The positive answers have been obtained only for isothermal systems or systems with small temperature differences. We formulate thermodynamics of the stationary states of the ideal gas subjected to heat flow in the form of the zeroth, first, and second law. Surprisingly, the formal structure of steady state thermodynamics is the same as in equilibrium thermodynamics. We rigorously show that $U$ satisfies the following equation $dU=T^{*}dS^{*}-pdV$ for a constant number of particles, irrespective of the shape of the container, boundary conditions, size of the system, or mode of heat transfer into the system. We calculate $S^{*}$ and $T^{*}$ explicitly. The theory selects stable nonequilibrium steady states in a multistable system of ideal gas subjected to volumetric heating. It reduces to equilibrium thermodynamics when heat flux goes to zero

Behaviorism and the concepts of influencing the attitudes of patients towards health behaviors

Health professionals in primary care teams need to know how to effectively encourage patients to change health behaviors to achieve treatment goals. Understanding the behavioral patterns and psychological underpinnings of making changes can help healthcare professionals deliver interventions with a higher success rate. The aim of the study was to assess the importance of behavior patterns in shaping patients' health attitudes and behaviors. There are three types of theoretical models that explain how health behaviors are initiated and changed: motivational, post-intentional, and multistage models. Motivation models describe the role of individual cognitive variables in the process of creating the intention to change behavior. Changing habits in the context of health promotion takes place by influencing the perception of patients. This can be achieved using the TRA (Theory of Reasoned Action), TBP (Theory of Planned Behavior) and HBM (Health Belief Model) models by convincing the public about susceptibility to a given disease, disseminating knowledge about effective methods of prevention and generating persuasion, support, admiration or recognition in society after positive behaviors such as smoking cessation or regular physical activity. Post-intentional models indicate factors that increase the chance of translating motivation into action. They commit the individual to a certain action when certain environmental circumstances are met, thus helping to translate the intention of the goal into action. Multi-stage models describe health behaviors as involving several separate stages. These theories are based on the assumption that people at different stages will behave differently, so the types of interventions and information needed to change behavior will vary depending on the stage they are at. Helping patients set realistic goals, such as moving to the next stage, can facilitate the change process. Effective behavioral interventions must be based on changing the approach of medical staff to the interpersonal process with the patient. This approach should be patient-centred and collaborative. Medical staff should assess the importance that the patient attaches to his health and the treatment process, and thus also the willingness and motivation to comply with the recommendations. Merely providing information will not guarantee a change in their behavior. Healthcare professionals should use active listening techniques (using open-ended questions, explanations, reflective and summarizing statements), should encourage patients to express concerns, and should be able to weigh the pros and cons of different treatment approaches

Family medicine in rural areas - perspectives and development opportunities

Access to health care should be universal and equal regardless of health needs, socio-economic status and place of residence. Empirical research confirms, however, that there are differences in access to health care between people in urban and rural areas. The main challenges for the health care system in rural areas are staff shortages, greater distance from large hospitals, difficult access to specialist and preventive services, and lower effectiveness of emergency care. The aim of the study was to analyze practical solutions to improve the organization of care in POZ, taking into account the principles of coordinated care in rural areas. As part of this study, an attempt was made to present practical solutions that may help to improve the organization of care in primary health care in rural areas. It is worth emphasizing once again that effective and efficient care for the population must be consistent with the concept of care coordination. In addition, the work shows how important from the perspective of the development of medicine in rural areas can be the inclusion of teamwork, financial motivators, including the so-called 'Rural addition' and the impact of modern technologies based on self-care and remote monitoring of patients' health

Steady state thermodynamics of ideal gas in shear flow

Equilibrium thermodynamics describes the energy exchange of a body with its environment. Here, we describe the global energy exchange of an ideal gas in the Coutte flow in a thermodynamic-like manner. We derive a fundamental relation between internal energy as a function of parameters of state. We analyze a non-equilibrium transition in the system and postulate the extremum principle, which determines stable stationary states in the system. The steady-state thermodynamic framework resembles equilibrium thermodynamics

The first law of thermodynamics in hydrodynamic steady and unsteady flows

We studied planar compressible flows of ideal gas as models of a non-equilibrium thermodynamic system. We demonstrate that internal energy $U(S^{*},V,N)$ of such systems in stationary and non-stationary states is the function of only three parameters of state, i.e. non-equilibrium entropy $S^{*}$, volume $V$ and number of particles $N$ in the system. Upon transition between different states, the system obeys the first thermodynamic law, i.e. $dU=T^{*}dS^{*}-p^{*}dV+{\mu}^{*}dN$, where $U=3/2 NRT^{*}$ and $p^{*}V=NRT^{*}$. Placing a cylinder inside the channel, we find that U depends on the location of the cylinder $y_{c}$ only via the parameters of state, i.e. $U(S^{*}(y_{c}),V,N(y_{c}))$ at V=const. Moreover, when the flow around the cylinder becomes unstable, and velocity, pressure, and density start to oscillate as a function of time, t, U depends on t only via the parameters of state, i.e. $U(S^{*}(t),V,N(t))$ for V=const. These examples show that such a form of internal energy is robust and does not depend on the particular boundary conditions even in the unsteady flow.Comment: 17 pages, 9 figure

Using Unused: Non-Invasive Dynamic FaaS Infrastructure with HPC-Whisk

Modern HPC workload managers and their careful tuning contribute to the high utilization of HPC clusters. However, due to inevitable uncertainty it is impossible to completely avoid node idleness. Although such idle slots are usually too short for any HPC job, they are too long to ignore them. Function-as-a-Service (FaaS) paradigm promisingly fills this gap, and can be a good match, as typical FaaS functions last seconds, not hours. Here we show how to build a FaaS infrastructure on idle nodes in an HPC cluster in such a way that it does not affect the performance of the HPC jobs significantly. We dynamically adapt to a changing set of idle physical machines, by integrating open-source software Slurm and OpenWhisk. We designed and implemented a prototype solution that allowed us to cover up to 90\% of the idle time slots on a 50k-core cluster that runs production workloads