Archivio Istituzionale delle Tesi di Dottorato e delle Collezioni Digitali
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Current anomalies and signatures of zero-energy excitations in onedimensional superconducting systems
(Università della Calabria, 2020-07-16) Giuliano, Rosa; Cipparrone, Gabriella; Giuliano, Domenico
I sistemi monodimensionali superconduttivi sono terreno fertile sia per lo studio teorico di fenomeni esotici, sia per le
innumerevoli applicazioni ingegneristiche a cui possono dare luogo.
In questo lavoro di tesi, l’attenzione sarà posta verso questo genere di sistemi dal punto di vista teorico, approfondendo
ed analizzando due tipi diversi di superconduttività (in onda s ed in onda p) in sistemi monodimensionali con simmetrie
differenti.
Nel primo argomento trattato, si propone un modello di superconduttore in onda p, con simmetria ad anello ed
attraversato da un flusso magnetico. In condizioni particolari, osservando lo spettro energetico del sistema, si nota la
comparsa di modi ad energia zero, i cosiddetti Modi di Majorana, ad oggi grande argomento di studio nella fisica della
materia condensata per le loro possibili implementazioni in qbit e porte logiche e perché non abbiamo ancora evidenze
sperimentali della loro presenza (nonostante vi siano diversi esperimenti in atto) nella fisica delle alte energie. Il device
così presentato diventa quindi uno strumento utilissimo per la rilevazione e lo studio di questi modi ad energia zero,
utilizzando come quantità misurabile la corrente persistente indotta dal flusso magnetico. Infatti, essendo la corrente
la derivata dell’energia dello stato fondamentale, le informazioni che si sono ottenute guardando allo spettro
energetico, vengono automaticamente tradotte e ricalcate nella forma della corrente, la quale, quando si manifestano
i Modi di Majorana nel sistema, presenta delle evidentissime discontinuità. Nel lavoro di tesi, oltre a fornire una possibile
applicazione sperimentale, in cui basta usare un magnetometro per effettuare la misura in modo non invasivo, è stato
proposto un modello analitico per ottenere una formula per la corrente persistente utilizzando la matrice di
trasferimento del sistema. Ovviamente, la manifestazione dei modi ad energia zero in un sistema finito-dimensionale
non è banale e si manifesta solo per speciali valori del flusso magnetico che attraversa l’anello. Il modello quindi
proposto diviene decisamente comodo per le implementazioni sperimentali. Va notato, tuttavia, che nei casi reali i
sistemi non sono mai perfettamente aderenti al modello teorico che si propone. Per questo motivo, il passo successivo
è stato quello di studiare lo stesso modello in presenza di disordine. Quello che è emerso dall’analisi è che per una
quantità di disordine moderata, è ancora possibile rilevare i Modi di Majorana nel sistema attraverso la corrente
persistente. Effettuando un’analisi statistica del sistema, è stato inoltre possibile fornire un diagramma di fase in cui
riportiamo i valori che può assumere l’ampiezza del disordine al variare del potenziale chimico del sistema per
mantenere la presenza dei modi ad energia zero.
Nella seconda parte della tesi, l’attenzione si volge invece ai superconduttori in onda s e, in particolare, a giunzioni di
metalli superconduttori-normali-superconduttori (SNS). In sistemi con questa simmetria, è previsto che scorra una
corrente, detta corrente Josephson, anche in assenza di differenza di potenziale ai capi del filo. Questo fenomeno, che
ad oggi trova largo spazio tra le implementazioni ingegneristiche, è legato alla differenza di fase tra il metallo
superconduttore e quello normale. Allo stesso modo, si può manifestare anche tra due superconduttori che hanno una
differenza di fase diversa da zero. Tuttavia, in particolari condizioni (quale la presenza dello spin-orbita e dell’effetto
Zeeman), si può avere un’anomalia nella corrente ed avere, anche con differenza di fase nulla, una certa quantità di
corrente che fluisce nel sistema. Questo effetto prende il nome di corrente Josephson anomala. Per studiarla ed
ampliare le conoscenze su questo fenomeno, è stato pensato un sistema SNS in cui nella zona normale (N) sono presenti
interazione spin-orbita, effetto Zeeman ed un confinamento armonico. L’approccio utilizzato è stato quello del
formalismo della matrice di scattering per ottenere le equazioni che sono state poi risolte numericamente variando i
parametri del sistema. In questo modo, non solo possiamo studiare l’anomalia della corrente Josephson, che risulterà
essere evidente dai risultati riportati dai grafici di densità presenti nel lavoro di tesi, ma anche ciò che accade nel caso
in cui si considerino più canali di scattering. Ciò che è emerso, alla fine dell’analisi, è che quando si considera un numero
di canali di scattering maggiore di 1, la corrente, oltre a presentare la sua anomalia, presenta anche una
asimmetrizzazione nella sua forma. Ciò implica che il movimento delle particelle da sinistra a destra è diverso dal moto
opposto che queste hanno nella giunzione. Se ne conclude che un sistema così strutturato consente la prototipazione
di un diodo superconduttivo.
Naturalderivative polymeric films containing transition metal complexes in between biomedical and food packaging applications
(Università della Calabria, 2020-07-10) Giorno, Eugenia; Cipparrone, Gabriella; Crispini, Alessandra; Aiello, Iolinda
I biopolimeri sono principalmente studiati per la progettazione di nuovi materiali utili per l'imballaggio alimentare e/o applicazioni biomediche. Il confezionamento è una componente essenziale nell'industria alimentare, necessaria per preservare la qualità e la sicurezza degli alimenti. La classica funzione del packaging alimentare, che inizialmente si basava sulla protezione, la comunicazione, la convenienza e il contenimento dei prodotti, è notevolmente migliorata con lo sviluppo di un nuovo concetto di imballaggio alimentare che consiste in sistemi di packaging attivi ed ecosostenibili. Attualmente, i principali materiali utilizzati per le applicazioni di confezionamento alimentare sono polimeri plastici prodotti da combustibili fossili, grazie al loro basso costo ed alla loro versatilità d'uso, entrambi fattori che hanno contribuito al loro rapido sviluppo nell’industria dell’imballaggio alimentare. Tuttavia, questi materiali non sono rinnovabili e non sono biodegradabili; il loro riciclaggio non è sempre possibile o economicamente vantaggioso, con conseguenti problemi indotti sull’ambiente. Lo sviluppo di materiali da fonti rinnovabili, in particolare con proprietà biodegradabili, contribuirebbe positivamente a un uso più sostenibile ed ecologico della plastica. Per questo motivo, l'uso di biopolimeri nelle applicazioni di confezionamento alimentare rappresenta una tendenza in rapida crescita. I biopolimeri possono essere ottenuti direttamente dai processi di polisaccaridi naturali o sintetizzati dalle reazioni di polimerizzazione chimica classica a partire dai corrispondenti monomeri rinnovabili. In questa prospettiva, la ricerca si sta concentrando sulla progettazione di materiali innovativi a base di polimeri naturali con prestazioni competitive ed economicamente convenienti rispetto ai materiali convenzionali derivati dal petrolio. I biopolimeri sono utilizzati principalmente nell'industria alimentare come materiali per imballaggio primario e secondario, film flessibili e rivestimenti commestibili. Grazie alle loro eccellenti caratteristiche biocompatibili e non tossiche, i biopolimeri trovano anche ampie applicazioni in campo medico come sistemi di rilascio di farmaci, dispositivi impiantabili, prodotti per la guarigione delle ferite e scaffold per l'ingegneria dei tessuti.
Uno dei biopolimeri più abbondanti in natura è la cellulosa, essa è la componente strutturale della parete cellulare primaria delle piante verdi. I derivati della cellulosa sono ben noti in quanto possono essere ottenuti attraverso diverse reazioni come ossidazione, esterificazione ed eterificazione della cellulosa. I derivati della cellulosa come la carbossimetilcellulosa (CMC), la metilcellulosa (MC) e l'etilcellulosa (EC), hanno trovato molte applicazioni nell'industria alimentare e biomedica.
Lo scopo generale di questa tesi di dottorato è la progettazione di processi eco-compatibili ed economicamente sostenibili per la preparazione di film polimerici antimicrobici. Nell'ambito di questo progetto di ricerca, l'interesse è stato focalizzato verso l’EC per i suoi numerosi vantaggi rispetto agli altri. L’EC è, infatti, solubile in vari solventi e può essere facilmente processata come film resistenti con una buona stabilità termica e lavorabilità.
L'obiettivo principale di questo lavoro di ricerca è la preparazione di nuovi film polimerici di EC e successiva caratterizzazione. Inoltre l'attività ricercata svolta consiste nel conferire proprietà antimicrobiche ai film polimerici di EC incorporando specifici complessi di metalli di transizione. Come additivi antimicrobici sono stati utilizzati, date le loro note proprietà antimicrobiche, vari complessi di Ag(I) neutri e ionici. In particolare, i complessi acilpirazolonato di Ag(I) neutri sono stati scelti per la loro azione antibatterica esibita contro numerose famiglie batteriche. Inoltre, questi complessi che presentano una varietà di gruppi funzionali e di conseguenza caratteristiche strutturali diverse hanno permesso di studiare le diverse modalità di interazione con la matrice polimerica. Tutti i film EC sono stati preparati con il metodo "solvent casting”, le soluzioni di “casting” sono state ottenute miscelando in diversi rapporti in peso degli additivi Ag(I) rispetto all’EC in soluzione o allo stato solido. In entrambi i casi, dopo l'evaporazione del solvente, i film trasparenti sono stati isolati semplicemente rimuovendoli dal supporto di deposito con acqua calda.
Le caratterizzazioni chimico-fisiche dei nuovi film di EC-Ag(I) sono state eseguite attraverso la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), l'analisi termogravimetrica (TGA), la calorimetria a scansione differenziale (DSC), diffrazione dei raggi X su polveri (PXRD) e misura dell'angolo di contatto con l'acqua (WCA).
Da un punto di vista applicativo, lo scopo di questa tesi di dottorato è stato quello di preparare nuovi materiali antimicrobici da utilizzare come imballaggi alimentari e nel campo biomedico. A tale scopo, era di fondamentale importanza testare l'attività antibatterica ed eseguire i test di rilascio d'argento dei film ottenuti. Tutti i film preparati EC-Ag(I) sono stati testati per la valutazione della loro attività antimicrobica contro l'Escherichia coli, come modello di ceppi Gram-negativi, in accordo con la normativa standard ISO 22196: 2011. Inoltre, per tutti i film sono eseguiti i test di rilascio della migrazione specifica di ioni Ag(I), secondo la legislazione dell'UE; molti film hanno mostrato valori di rilascio inferiori al limite della legislazione dell'UE. Grazie alle proprietà antimicrobiche dei film ottenuti e del loro limitato rilascio di Ag(I), i film ottenuti rappresentano nuovi materiali molto promettenti per i campi di applicazione sopra riportati.
Il lavoro di ricerca svolto ha dimostrato come il diverso tipo d’interazione che s’instaura tra i complessi metallici Ag(I) e la matrice polimerica svolge un ruolo chiave nelle proprietà complessive mostrate dai film preparati. Tale conoscenza è fondamentale per lo sviluppo di materiali e dispositivi con prestazioni migliorate rispetto a quelli derivanti dall’utilizzo delle singole componenti utilizzate per la preparazione dei film polimerici.
Questo lavoro di ricerca è stato svolto nei laboratori MAT-InLAB del Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria in collaborazione con l’azienda TiFQLab “Centro di Sperimentazione, Ricerca e Analisi Applicata alle Tecnologie Alimentari e dell'Acqua Potabile”.
Applicazione dei big data nel turismo, marketing ed education
(Università della Calabria, 2020-03-18) Giglio, Simona; Critelli, Salvatore; Pantano, Pietro
Il mondo è attualmente inondato da dati e l’avanzare delle tecnologie digitali amplifica questo fenomeno in modo esponenziale. Tale fenomeno viene etichettato con il concetto di Big Data ovvero le tracce digitali che le nostre attività quotidiane lasciano per effetto dell’uso massiccio dei sistemi ICT (Information Communication Technologies). I Big Data sono diventati il nuovo microscopio che rende “misurabile” la società. Per tali ragioni, la ricerca è incentrata sull’analisi dei Big data, estratti dai social media, da indagini online, da piattaforme di recensioni e da database, attraverso l’applicazione di tecniche e strumenti sviluppati nell’ambito dell’Intelligenza Artificiale. Algoritmi di machine learning, analisi semantica ed analisi statistica sono stati utilizzati per estrarre, dai Big Data, informazione sotto forma di “conoscenza” e “valore”, dimostrando come dati di grandi dimensioni possano fungere da ricca fonte di informazione, da un lato, per comprendere il comportamento dell’utente, parte integrante di una società complessa (conoscenza), e dall’altro, per sostenere i processi decisionali e i servizi forniti agli utenti/consumatori (valore). Il lavoro si caratterizza per un approccio multidisciplinare tra settori differenti quali le scienze sociali, le scienze statistiche e l’informatica. Questo ha permesso di fondare la ricerca sui Big Data nella teoria, e fornire un efficace recupero e analisi dei dati nella pratica. Le tecniche di machine learning sono state applicate per (i) il riconoscimento delle immagini, (ii) per la creazione di cluster, (iii) per l’analisi del testo (sentiment analysis) e (iv) per la profilazione di classi di utenti. Per il riconoscimento delle immagini l’approccio ha richiamato le reti neurali artificiali (deep artificial neural networks), algoritmi e sistemi computazionali ispirati al cervello umano utilizzando le potenzialità del programma Wolfram Mathematica e la disponibilità di dati estratti da social network quali Flickr, Twitter, Instagram ed altre piattaforme come TripAdvisor. Gli strumenti utilizzati nella ricerca hanno permesso di indagare e di rilevare in modo oggettivo dall’analisi di immagini e di testi condivisi sul web, alcuni comportamenti cognitivi degli utenti/consumatori alla base delle loro scelte nonché l’attrattività di una destinazione turistica e la qualità dell’esperienza dell’utente. Lo studio del significato delle parole nel testo ha aperto la strada al web semantico che permette ad un utente di acquisire informazioni approfondite durante una ricerca attraverso un sistema formato da una rete di relazioni e connessioni tra documenti. Partendo dalle ricerche di Ogden e Richards sullo studio del significato e di Jakobson che studiò i processi comunicativi, si è cercato di strutturare e sistematizzare un processo che riflette un atto comunicativo ed informativo tale che un simbolo (immagine) attraverso l’applicazione di un significante (machine learning che si sostituisce al processo mentale proprio dell’uomo) permettesse l’esplicitazione di un referente (oggetto\etichetta) che opportunatamente porta alla trasmissione di un messaggio sotto forma di conoscenza. Il tutto coordinato da un sistema in grado di coniugare fattori differenti in un’ottica interdisciplinare dove l’analisi dei dati combacia perfettamente con la linguistica. Attingendo da studi precedenti, i risultati raggiunti dimostrano che gli algoritmi di analisi dei Big Data quali l’apprendimento automatico contribuiscono da un lato alla comprensione sull’esperienza dell’utente verso un luogo, una destinazione; d’altra parte, la loro analisi fornisce una conoscenza sistematica delle valutazioni dei consumatori su un determinato prodotto o servizio e verso lo sviluppo di una sorta di “intelligenza sociale”. Inoltre i risultati della ricerca propongono come, un approccio più sofisticato al monitoraggio dei social media nel contesto turistico e nel marketing, nonché nel settore dell’education, possa contribuire a migliorare le decisioni strategiche e le politiche operative degli stakeholder nonché ad avere una visione psicologica sugli atteggiamenti e sul comportamento di un ampio spettro di utenti.
Resilienza e rischio nella rilettura urbanistica dell'emergenza. Il ruolo della viabilità strategica
(Università della Calabria, 2020-02-18) Gaudio, Sara; Furgiuele, Franco; Francini, Mauro
Urban systems are increasingly experiencing processes of evolution, change and transition. Therefore, there is an urgent need of identifying new planning approaches aimed at promptly responding to them. Over the years, the themes of risk and security have, more or less sponta-neously, contributed to direct the ways of governing the territories. However, the most recent crises have shown how many critical issues have remained unresolved. In this respect, new challenges have to be faced, especially in terms of emergency planning.
Starting from a theoretical reflection on the current planning orientation and on the concept of urban resilience, this research tries to use a novel meth-odological approach with a view to provide a new characterisation to Emer-gency Plans, more spatial and not just operational. Following the need to identify some categories of relevant urban elements on the territory, the proposed performance-based framework offers a formal procedure for the detection of strategic road infrastructures. The obtained results allow to plan already in “peacetime” the best alternative routes to ar-rive safely in the areas established by Civil Protection in case of event and to facilitate rescue operations. Therefore, the analysis of the physical and functional relationships among different elements of the territory shifts the focus of emergency from a piece-meal approach to a more integrated one. This will be capable of addressing more consistently the future decisions concerning the urban structures, typi-cal of ordinary territorial planning.
Applicazione della shallow water equations per la simulazione numerica a scala di bacino degli eventi alluvionali
(Università della Calabria, 2020-04-16) Gangi, Fabiola; Critelli, Salvatore; Macchione, Francesco; Costanzo, Carmelina
La valutazione del rischio idraulico connesso alle piene dei corsi d’acqua è particolarmente delicata
quando gli eventi alluvionali hanno carattere impulsivo, come accade nei bacini di modeste
dimensioni.
L’approccio correntemente utilizzato per l’analisi idraulica è quello di individuare dei singoli tratti di
interesse dei corsi d’acqua. L’analisi è condotta sulla base di idrogrammi di progetto ricavati
mediante modelli idrologici del tipo afflussi-deflussi. In questa memoria sarà invece applicato un
approccio basato sull’analisi degli effetti idraulici provocati da un evento meteorico considerando
come dominio per il calcolo idraulico l’intero bacino idrografico. Tale approccio è in grado di
individuare situazioni di pericolo in zone che magari non sarebbero state esaminate. L’uso di modelli
idrodinamici basati sulle shallow water equations, è diventato oggetto di crescente interesse per
simulare eventi a scala di bacino. Un fattore che può essere limitante ai fini dell’ottenimento di
risultati conseguibili con il dettaglio fisico garantito dalle SWEs è la dimensione delle celle di calcolo.
Questa deve essere sufficientemente piccola da garantire un’accurata simulazione degli effetti
idraulici e contestualmente non troppo piccola per non rendere proibitiva la mole dei calcoli su
domini estesi. In questa ottica, il presente lavoro propone di occuparsi dell’individuazione dei criteri
per la delimitazione delle aree a pericolosità idraulica definendo la più grande dimensione che può
essere assegnata alla cella di calcolo per ottenere risultati sufficientemente affidabili.
A tal fine, un modello numerico basato sulle SWE, sviluppato dagli autori e parallelizzato utilizzando
le direttive OPENMP e MPI, è stato applicato al bacino del fiume Beltrame, collocato sulla costa Est
della Calabria. Il torrente Beltrame, come altri torrenti della fascia ionica calabrese, è stato
interessato, in passato, da eventi alluvionali di notevoli dimensioni. Si prenderà qui in esame
l’evento accaduto il 10 settembre 2000. La risoluzione dei dati topografici a disposizione è variabile. Il 39% ha una copertura di dati DTM a
risoluzione 5 metri, il 59% ha copertura di dati LiDAR a risoluzione 1 metro e l’2% ha copertura di
dati LiDAR a risoluzione 2 metri. A partire dai dati topografici, sono stati generati quattro domini
computazionali con griglie di tipo non strutturato, uniforme, con elementi triangolari (con area
variabile da 36 a 900 m2). Le differenze tra i risultati ottenuti sono stati confrontati in termini di
estensione di aree allagate e distribuzione dei valori della pericolosità all’interno delle aree
perimetrate, quest’ultima quantificata secondo il prodotto hV, dove h è la profondità della corrente
in un assegnato punto e in un assegnato istante e V è la contestuale velocità. La valutazione della
sovrapponibilità delle aree per ciascuna classe di pericolosità è stata eseguita utilizzando diversi
indici quali: Hit Rate, False Alarm Ratio, Critical Success Index.
L’analisi condotta nella presente memoria ha messo in luce che, a scala di bacino, gli errori sui
massimi tiranti crescano significativamente al crescere delle dimensioni delle celle di calcolo,
sebbene essi si mantengano più contenuti, anche usando le griglie più grossolane, per la parte
valliva, caratterizzata da estensioni più ampie dell’area allagata. In ogni caso sembra che questo
abbia una scarsa ricaduta sulla valutazione della pericolosità. I calcoli e i confronti hanno mostrato
che le aree a diversa pericolosità si distribuiscono all’interno dell’area del bacino in maniera simile.
Inoltre, anche se non si arriva ad una perfetta sovrapposizione areale, esse sono collocate
spazialmente in modo che o si sovrappongono parzialmente o, se sono delle strisce sottili, hanno
dislocazioni molto prossime le une alle altre. si ritiene che anche con la griglia più grossolana si possa
impiantare una buona analisi della pericolosità a scala di bacino, certamente con precisione
maggiore andando dai rami montani del reticolo – più stretti - a quelli più ampli che provocano
esondazioni in zone vallive.