Scientific Activities

Intermittency in cosmic ray showers and its possible consequences

In the simulation calculations that form the basis for interpreting data from EAS arrays at higher primary particle energies, we are dealing with millions of particles passing through the atmosphere. In order to speed up the calculations or to make them generally feasible, the 'thinning' method has been used for about half a century. This method consists in eliminating a fraction of the particles from the cascade and in assigning an appropriate statistical weight to the remaining particles. Such an approach is perfectly correct if we are dealing with average images of shower, but it cannot describe the fluctuations in the number of particles measured by any particular single detector. The standard approach is to assume that the particles in a shower reach the ground independently. Their numbers are assumed to fluctuate poissonically. This approximation does not allow a correct interpretation of the results of measurements of very small showers. It is also not entirely correct at higher energies, especially in detectors far from the shower axis where particle densities are low.

The question is whether the assumption that the particles in the shower are independent leads to systematic biases in the interpretation of the shower data. Using accurate simulations, we found the magnitude of the particle correlations and showed that a negative binomial distribution better describes these distributions. By modifying the procedures for determining shower parameters, we have shown that changing the multiplicity statistics can change the estimated shower sizes by up to a few per cent.

Droplets in Micro-Channels

Microfluidics has demonstrated significant potential across various research and technological domains. In this presentation, I will provide an overview of the microfluidics research conducted by me and my collaborators at the Institute of Fundamental Technological Research. Specifically, I will focus on droplet microfluidics and share our latest discoveries concerning the mechanisms underlying droplet formation at micro-channel junctions.

Non-equilibrium hydromagnetic dynamos

The effect of hydromagnetic dynamo is very common in nature. Majority of astrophysical magnetic fields, including the terrestrial field,are generated by turbulent flow of a conducting liquid, such as plasma or liquid metal in the interiors of planets, stars, accretion discs, etc. If conditions for dynamo action at large scales are satisfied, that is in particular the fluid domain is not too small and the turbulent flow is vigorous and lacks reflectional symmetry, the energy of the flow is then partially transformed into the energy of large-scale magnetic fields. The large-scale field amplification and saturation rely on formation of large-scale electromotive force(EMF) in the system. The turbulent mechanism of dynamo action, which is often invoked responsible for generation of large-scale fields is the so-called alpha-effect, based on nonlinear interactions of the small-scale fluctuating components of the turbulent state. In the turbulent wave field there are many interactions between waves with distinct frequencies and it is shown that the 'beating effect' of weaves leads to formation of the electromotive force, which can be very efficient in producing large-scale dynamo action. In particular, this non-equilibrium mechanism is largely independent of the fluid's resistivity and hence is of vital interest from the point of view of description of high conductivity plasma dynamics.

GōMartini 3: A computational tool to elucidate conformational changes of therapeutic proteins

Molecular dynamics (MD) simulation is a powerful tool for revealing the underlying mechanisms governing protein stability. However, a typical disadvantage of the all-atom MD simulation is the limitation to access characteristic length and time scales associated with conformational changes in large biomolecules (i.e. several nm and μs). In contrast, coarse-grained MD has the advantage of expanding this scales by 1-2 orders of magnitude, reducing the computational cost at the expense of losing information on the specific interactions between atoms. The GōMartini approach [1] circumvents this limitation and in the latest implementation in Martini 3 force field employs virtual sites for large scale applications [2]. This approach requires the determination of a native contact map [3] that includes the most relevant interactions between residues. Here I showcase some of the latest studies involving single-molecule force spectroscopy (SMFS) and molecular simulations such as the mechanostability of a neutralizing antibody against SARS-CoV-2 variants and the stability of a therapeutic protein complex.

References

[1] Poma, A. B., Cieplak, M., & Theodorakis, P. E. (2017). Combining the MARTINI and structure-based coarse-grained approaches for the molecular dynamics studies of conformational transitions in proteins. J. Chem. Theory Comput., 13(3), 1366-1374.

[2] Souza, P. C., Alessandri, R., Barnoud, J., Thallmair, S., Faustino, I., Grünewald, F., ... & Marrink, S. J. (2021). Martini 3: a general purpose force field for coarse-grained molecular dynamics. Nature methods, 18(4), 382-388.

[3] Cofas-Vargas, L., Moreira, R., Poblete, S., Chwastyk, M., & Poma, A. (2024). The GōMartini Approach: Revisiting the Concept of Contact Maps and the Modelling of Protein Complexes. Acta Phys. Pol. A ISSN 1898-794X , 145(3), S9. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.145.S9

Stable discontinuous stationary solutions to reaction-diffusion systems

I shall review results, obtained jointly with Anna Marciniak-Czochra, Kanako Suzuki, and Szymon Cygan, on a certain class of reaction-diffusion systems from mathematical biology, where ordinary differential equations are coupled with one reaction-diffusion equation. Such systems may have regular (i.e. sufficiently smooth) stationary solutions, however, all of them are unstable. We showed that solutions to such problems may behave in a singular way for large values of time and converge towards discontinuous stationary solutions.

References:
S. Cygan, A. Marciniak-Czochra, K. Suzuki, Stable discontinuous stationary solutions to reaction-diffusion-ODE systems,
Cygan, Szymon; Marciniak-Czochra, Anna; Karch, Grzegorz; Suzuki, Kanako,Comm. Partial Differential Equations 48 (2023), no. 3, 478–510.

S. Cygan, A. Marciniak-Czochra, K. Suzuki, Instability of all regular stationary solutions to reaction-diffusion-ODE systems,
Cygan, Szymon; Marciniak-Czochra, Anna; Karch, Grzegorz; Suzuki, Kanako, J. Differential Equations 337 (2022), 460–482.

A study of the spinnability of interacting polyelectrolytes and proteins

Molecular structures and versatile functions of proteins have made them valuable components in biotechnology and medicine. Adhesives, gels, coatings, cultured meat, and scaffolds for tissue engineering are a few examples of each having different requirements for protein assembly. Proteins can self-assemble into supramolecular structures, but due to their relatively weak physical interactions (H-bonds and hydrophobic interactions), they have a shorter lifetime than chemically cross-linked structures. Enhancing the stability of supramolecular structures requires developing strategies to modulate protein interaction strengths. Whether proteins exhibit a fibrous or globular shape, and the distribution of electrostatic charges and their quantity on the protein surface convolute the assembly of long-range ordered structures.
In this talk, we provide an overview of research on assembling proteins using electrospinning to create quasi-one-dimensional structures with orientational order. Jet stabilization via viscoelasticity is required in order to properly electrospin (Reneker et al., 2008; Lauricella, et al., 2020); however, when proteins exhibit a strong secondary or tertiary structure, there is not enough interaction between them to ensure entanglement and, finally, a global network. Thus, the common approach to introduce viscoelasticity is adding another, typically synthetic, polymer to the protein solution (Kowalczyk et al., 2008). Alternatively, unfolding of proteins into linear-like chains can impart the solution with the required properties, albeit at the expense of introducing toxic solvents (Dror et al., 2008). Nonetheless, some proteins are prone to profuse intermolecular interactions upon denaturation, causing them to aggregate. The effect of electrostatic interactions can be alleviated by adding salt to screen the protein charges or by introducing a co-solvent to vary the dielectric constant and, thus, reduce charge dissociation (Boas et al., 2019).
In order to electrospin proteins without the above weaknesses, we focus on the development of a supermolecular structure by bridging proteins with oppositely charged weak polyelectrolyte macromolecules (e.g., polysaccharides). There are many factors influencing the likelihood of such bridging interactions, including the distance between the chains, the charge density, the conformation of the protein, and the ionic strength of the solution (Martin et al., 2019; Warwar Damouny, et al. 2022). A global network containing a significant amount of proteins relative to polyelectrolytes can be formed by optimizing these parameters. Study parameters include varying the concentrations of the constituents below and above the overlap concentration, preparation of charge-asymmetric mixtures controlled by pH, and adjusting the pH to alter the degree of polyelectrolyte ionization. We demonstrate the formation of a global network and the processing of the protein-polyelectrolyte complex into nanofibers by electrospinning in a strong electric field. Within the electrospinning jet, shear and electrostatic forces cause high orientational order in the charged macromolecules.


References

Reneker, D.H., Yarin A.L., Fong H. and Koombhongse, S. (2000). Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning. J. Appl. Phys., 87, 4531–4547.

Lauricella, M., Succi, S., Zussman, E., Pisignano, D., and Yarin, A.L., (2020). Models of polymer solutions in electrified jets and solution blowing. Reviews of Modern Physics, 92(3) 035004.

Dror, Y., Ziv, T., Makarov, V., Wolf, H., Admon, A., and Zussman, E. (2008). Nanofibers made of globular proteins. Biomacromolecules, 9(10), 2749–2754.

Boas, M., Vasilyev, G., Vilensky, R., Cohen, Y. and Zussman, E. (2019). Structure and Rheology of Polyelectrolyte Complexes in the Presence of a Hydrogen-Bonded Co-Solvent. Polymers, 11(6) 1053.

Kowalczyk, T., Nowicka, A., Elbaum, D., and Kowalewski, T. A. (2008). Electrospinning of bovine serum albumin optimization and the use for production of biosensors. Biomacromolecules, 9(7), 2087–2090.

Martin, P., Vasilyev, G., Chu, G., Boas, M., Arinstein, A., and Zussman, E. (2019). pH‐Controlled Network Formation in a Mixture of Oppositely Charged Cellulose Nanocrystals and Poly(allylamine). J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys., 57(22), 1527–1536.

Warwar Damouny, C., Martin, P., Vasilyev, G., Vilensky, R., Redenski, I., Srouji, S., and Zussman, E. (2022). Injectable hydrogels based on inter-polyelectrolyte interactions between hyaluronic acid, gelatin, and cationic cellulose nanocrystals”, Biomacromolecules, 23(8), 3222-3234.

From thermal barrier coatings to high-temperature fatigue testing of turbine blades

Components operating at high temperature are particularly exposed to oxidation and degradation under corrosive environmental conditions, thus aluminide coatings are commonly used to protect them from damage during operation. In order to further increase the corrosion resistance, a high aluminium content is applied to the surface by means of several methods including hot dip aluminizing coating, pack cementation, physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD). One should mention that for the proper protection of jet engine elements, diffusion aluminide coatings are the most commonly used. They are produced by high-temperature chemical processes during which the aluminium diffuses into the alloy surface, and then, reacts with it to form a nickel aluminide coating. Aluminium oxidizes at high temperature and forms a thin and dense alumina scale, acting as a diffusion barrier that protects the substrate from rapid degradation. Although the diffusion aluminizing processes, such as the cementation process, are efficient in terms of performance and cost, they are not conventionally used as they do not meet environmental standards. Therefore, the protective coating of modern turbine blades against corrosion at 700-950°C is applied primarily by the CVD method. The CVD method offers high repeatability, coating uniformity, excellent adhesion strength and could be heat treated in a reaction chamber. Since aluminide coatings applied by using CVD increase the oxidation resistance of the substrate material, and could potentially enhance the fatigue response of nickel-based superalloys, the main aim was to assess the suitability of such a method for Inconel 740. The as-received and aluminized Inconel 740 was subjected to fatigue testing and hardness measurements at first. Subsequent fracture surface analysis was carried out to determine the failure mechanism. Secondly, the high-temperature corrosion and its mechanisms for both these materials were assessed during long-time annealing for 100 hours at 1000°C and further described by using detailed EDS mapping. The oxidation resistance effectiveness of the CVD coating was also analysed through the comparison of relative weight gain for the as-received and aluminized Inconel 740 after such long-time exposure. High-temperature fatigue testing of materials operating in aggressive environments is vital for assessing the service life of high-strength materials used in aircraft engines. However, strength characteristics are typically determined based on standardised specimens, which fail to fully represent the complex behaviour of turbine components. Moreover, this approach yields only limited data on component behaviour, as it predominantly reveals only material-related features. It is crucial to test critical engine components under conditions that accurately reflect their actual ones. Therefore, the authors proposed a design of the high-temperature fatigue testing grip. Its effectiveness was assessed by establishing the S-N curve for full-scale nickel-based turbine blades under simulated environmental conditions. The setup, integrating the grip into a standard testing machine, proved effective for high-temperature tests and successfully determined the service life of full-scale components.

Impact examples of two-phase composites

Examples of composites under impact loading are presented. In particular,we show the examples of an interpenetrated composite. The analyses are done using peridynamics (PD) method. An outline of PD method is described as well.
The composites are made of brittle skeleton (for example, Al2O3) and elastic-plastic filler (for example, an aluminium alloy). Contemporary ceramic composites are used in many industries of strategic importance, such as the armaments industry, aviation, automotive, nuclear power, or space exploration, while in other areas they constitute the main source of technical progress. In these applications, the material is often subjected to extreme loads, such as variable shock loads and high temperatures. In the presentation, we explore the degradation of a range of samples and an IPC sample.

1) Postek E., Sadowski T., Pietras D., Impact of interpenetrating phase Al-Si12/SiC, INTERNATIONAL JOURNAL FOR MULTISCALE COMPUTATIONAL ENGINEERING, ISSN: 1543-1649, DOI: 10.1615/IntJMultCompEng.2022043186, Vol.20, No.6, pp.61-78, 2022.
2) Postek E., Sadowski T., Dynamic Compression of a SiC Foam, Materials, ISSN: 1996-1944, DOI: 10.3390/ma15238363, Vol.15, No.23, pp.1-17, 2022.
3) Postek E., Nowak Z., Pęcherski R.B., Viscoplastic flow of functional cellular materials with use of peridynamics, MECCANICA, ISSN: 0025-6455, DOI: 10.1007/s11012-021-01383-7, pp.1-18, 2021.
4) Postek E., Nowak Z., Pęcherski R., Viscoplastic material with shear bands effect, USNCCM16, 16th U.S. National Congress on Computational Mechanics, 2021-07-25/07-29, Chicago (US), pp.1, 2021

Functionally graded titanium implants: Characteristic enhancement induced by combined severe plastic deformation

Commercially pure titanium was processed by equal channel angular pressing (ECAP) and surface mechanical attrition treatment (SMAT) for the purpose of developing functionally graded titanium used for implants and a gradient structure including nanostructured, deformed and undeformed zones were produced on the samples. In particular, it was aimed to design the gradient-structure in the titanium with enhanced properties by applying 4 ECAP passes to form bulk structure of ultrafine-grains and subsequently subjecting SMAT to the surface of ECAPed samples to produce nanostructured surface region. Microstructural examination was made by electron back scatter diffraction (EBSD). Also, microhardness, nanoindentation, topography, roughness and wettability were evaluated. To examine the biological response, human osteosarcoma cells were cultured in contact with the samples in various time periods and morphology change, cell viability and alkaline phosphate activity were conducted also cell morphology was monitored. EBSD showed development of ultrafine-grained structure after 4 passes of ECAP with an average grain size of 500 nm. Applying SMAT resulted in additional refinement in the ECAP samples, particularly in the subsurface regions to a depth of 112 μm. Furthermore, the SMATed samples showed an enhancement in roughness, wettability and hardness magnitudes. Viability enhanced up to 7% in SMATed + ECAPed sample, although the acceptable cell adhesion, improved cell differentiation and mineralization were seen. The combined use of ECAP and SMAT has shown a good potential for optimizing the design of modern functionally graded medical devices and implants.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Phase-field modeling of microstructure evolution due to twinning and crystal plasticity

Deformation twinning is an important inelastic deformation mechanism in many materials, including HCP magnesium alloys which lack easily-activated slip systems. Deformation twinning is a displacive transformation and bears some similarities to the martensitic phase transformation. However, unlike in the martensitic transformations, for instance, in shape memory alloys, it typically occurs simultaneously with plastic slip. Moreover, the related microstructure evolution (nucleation, growth and propagation of twins) impacts the plastic slip due to lattice rotation induced by twinning. Spatially-resolved modeling of twinning can be efficiently carried out using diffuse-interface approach, and specifically using the phase-field method. We have developed a finite-strain model of coupled twinning and plastic slip by combining the phase-field method and crystal plasticity. The model has been employed to predict the twin microstructure evolution. In this talk, a summary of the related results will be presented.

On the edge of Mott(ness): Li0.9Mo6O17, a curious quasi-1D material that sometimes superconducts

In the first part of my talk I will address a question: what happens when electrons’ motion becomes confined to one direction? And how to describe them? The answer is sine-Gordon model of Tomonaga-Luttinger liquid and the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) phase diagram. In the second part I will move on to introduce a real material where such situation is realized. It belongs to a family of molybdenum purple bronzes, whose other members were early shown to be Peierls-CDW compounds, while the physics of the Li-compound has remained elusive. From the beginning of 21st century experimental evidence has been mounting, indicating that it may be a rare realization of Tomonaga-Luttinger liquid in a solid state material. However, the lowest energy physics does not obey this canonical picture and the origin of a mysterious upturn of resistivity was understood only few years ago [1]. Then I will move on to the most recent findings that directly probe the parent state of superconductivity [2]. We were able to show that the Li0.9Mo6O17 is in fact in the higher symmetry state, right on the edge of Mott insulating region in the BKT picture. I will explain how the specific properties of Li0.9Mo6O17 enabled us to measure directly the BKT renormalization group flow and what conclusions we were able to draw from that.

[1] Sci. Adv.5,eaar8027(2019)
[2] Science382,792-796(2023)

Human brain atlasing: methods and applications

The 21st century is the century of the brain and mind, and to collect, present, use, share, and discover knowledge about the human brain, brain atlases are employed. A recent tremendous brain atlas development in terms of content, functionality, and applications has been propelled by brain big projects.
I have created over 50 diverse human brain atlases, including research prototypes, and 35 products that have been licensed to 67 companies and institutions, and distributed in about 100 countries. These are anatomic, vascular, connectomic, functional, and population-based atlases in health and disease.
I will share my experience in brain atlas creation and the development of methods and atlas-enabled applications in education, research, and clinics including neuroradiology, stroke, and neurosurgery.

Nanohydroxyapatite with precisely regulated size in the nano-scale from 10 to 50 nm: synthesis and applications for bone regeneration

We offer as a platform for collaboration nanohydroxyapatite, called further GoHAP, as a material to stimulate bone regrowth in case of severe bone fractures. GoHAP is produced according to the ISO13495 standard for medical devices. Our material is very "robust" and meets ISO 13485 standards for medical devices = bone implant class 3 production. It passed biocompatibility tests according to ISO 10993 norm for medical implants. It can be produced on a scale of kilograms per year. Its structure as far as particle size, shape, and as reveled using X-ray Diffraction methods is identical to that in humans and animals' bones. It has been shown to be effective for bone fusion stimulation in animals and in in-vitro tests. It can be used as is by mixing with blood or bone marrow or serve for the development of injectable pastes. The material is produced using Microwave-Solvothermal Synthesis method. We also offer as a platform for collaboration with the technology of Nano-Sono-Coating. Ultrasonic technology is applied to uniformly coat porous, fibrous, and 3D materials with a 50 – 300 nm thick layer of GoHAP. Significant results have been obtained for coating of produced by us electrospun membranes – GoMembrane. The process is also carried out under rigorous ISO procedures, and biocompatibility tests are underway. Our aim is to reach the clinic.
We are looking for collaborations towards developing a broader range of GoHAP-based products. And also for a deep understanding of the nano-size effect on the nanomaterial activity and properties.

Dissipative effects in odd viscous Stokes flow around a single sphere

Viscosity is a property that tells us how easy it is to cause flow in a fluid. For incompressible isotropic systems, the most well-known type of viscosity is the shear viscosity, which quantifies how much of the fluid's available energy dissipates when a symmetric velocity gradient is induced into the system. However, the situation differs in so-called chiral active fluids, which are manifestly out-of-equilibrium systems. Here, the fluid particles are set into motion by activity or uniform rotation of the system and are, therefore, characterised by a non-trivial intrinsic angular momentum density. Consequently, the flow properties of such a fluid are not just described by the shear viscosity. There are additional so-called odd viscosity coefficients that do not contribute to viscous dissipation in a direct manner.
Because of the fundamental interest in this problem and recent experiments, we study such chiral active fluids in the creeping flow regime in more detail. By constructing the fundamental solution of the generalised stationary Stokes equations, we analytically solve the problem of a particle undergoing solid-body motion in an odd viscous fluid. Furthermore, we will then explicitly demonstrate that odd viscosity can contribute to viscous dissipation via alteration of the fluid flow.

A. Ceria-Based Materials And Their Applications in Various Fields;
B. Design Optimization via the Continuous Stochastic Gradient Method

A.
Ceria-based materials are widely used in solid oxide fuel cells, catalysis, thermo-chemical fuel production, optical / gas sensing, photo-catalysis, wastewater treatment, the automobile industry, environmental pollution control, and biomedical applications. Oxygen storage capacity, redox ability, thermal stability, and high affinity towards oxygen make ceria-based materials more attractive in various applications. Shape control synthesis/fabrication of nano-powder / nono-fibers further enhances the efficiency of these materials. Application of ceria-based materials as anode, electrolyte, and cathode of solid oxide fuel/electrolysis cell, as a catalyst in soot, and CO oxidation in automobile three-way converters. The application of ceria-based materials in the various fields and their impact on performance will be further presented.

B.
We consider large scale optimization problems with an objective function depending on random or distributed parameters. Here, standard deterministic optimization approaches rely on a discretization of the appearing integrals. However, the underlying quadrature rule can introduce artificial local minima into the objective function, resulting in an overall poor performance of the optimizer. Since circumventing this effect severely increases the computational cost, stochastic gradient type methods have gained popularity over the years, most recently also for the solution of topology optimization problems. However, standard schemes from literature are typically limited to expected loss functions and still require many iterations. This implies that a lot of expensive state problems have to be solved. Thus, we present the continuous stochastic gradient method (CSG), which provides an efficient hybrid approach, without these limitations. In CSG, samples calculated in previous iterations are collected in an optimal linear combination to obtain an approximation to the full gradient and objective function value. It can be shown that the approximation error for both quantities vanishes during the optimization process. Therefore, CSG inherits many convergence properties known from full gradient methods, like convergence for constant step sizes. Moreover, the approximation idea in CSG is not limited simple gradient schemes but can be combined with more elaborated sequential programming techniques. As an example, the combination with the well-known MMA-scheme is discussed. After presenting the main theoretical properties of CSG, its efficiency is demonstrated for applications from elasticity, acoustics and nano-particle optics.

Scenarios of the Universe evolution

In the lecture I will describe the standard cosmological model, and an alternative scenario proposed by Roger Penrose. These scenarios differ both in the description of the beginning as well as the end of our Universe.

Modeling RNA structure using multiscale simulations

The conformational sampling of RNA molecules can be significantly improved using helix-based models provided their secondary structure. By these means, helices or large domains can be quickly rearranged, and tertiary contacts can be proposed to stabilize the overall structure. However, reconstructing an all-atom representation from their predictions requires the assembly of fragments, which usually introduces many unphysical effects, including clashes, broken bonds, and topological artifacts.

A nucleotide-based model can improve the quality of the structures at this level. We show how we use the SPlit and conQueR (SPQR) package for refining and exploring RNA structures using specific energy terms and virtual sites. Moreover, given the proximity of loops and helices, the search for tertiary contacts is benchmarked against X-ray structures by searching the possible conformations consistent with these interactions. A directed energy-minimization procedure can successfully remove the topological artifacts with a minimal effect on the global shape of the molecule. We will focus on the most challenging cases to assess the reliability of the structures and detail how to deal with the links of hairpins, stems, and junctions.

Altogether, SPQR with these tools can propose well-refined structures up to thousands of nucleotides and be used as a refinement tool for the RNA-Puzzles predictions.

Deep learning methods for breast mass diagnosis in ultrasound

Breast cancer is one of the most prevalent cancers among women. Ultrasound imaging is a common tool used by diagnosticians to characterize and differentiate breast masses. However, accurate diagnosis using ultrasound necessitates experienced radiologists who have an in-depth understanding of characteristic ultrasound image features associated with malignancy. Deep learning methods are gaining momentum in medical image analysis. Unlike traditional image analysis approaches that require feature engineering, deep learning algorithms can automatically process input data to extract effective features for recognition.

In this talk, I will present deep learning based methods that can tackle various challenges in breast mass diagnostics. First, I will introduce neural network based techniques for the segmentation and classification of breast masses. Second, I will discuss how neural networks can be utilized to predict the response to neoadjuvant chemotherapy. Typically, methods for breast mass diagnosis are developed using B-mode ultrasound images. While B-mode images are useful for localizing tissues and assessing relative echogenicity, they only partially convey specific tissue physical properties due to the lossy compression necessary to reconstruct B-mode images from raw radio-frequency ultrasound signals. In the third part of the talk, I will showcase and discuss neural networks that can be used to process raw ultrasound signals collected from breast tissue.

The seminar is connected with the habilitation procedure.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Plasticity without safe-load conditions

Systems of equations describing an inelastic response of metals, with the fundamental assumption of small deformations, consist of linear partial differential equations coupled with nonlinear differential inclusions (or ordinary differential equations) for the vector of internal variables. The partial differential equations result from general mechanical laws. The differential inclusions are experimental, and depend on the kind of considered materials. One of the main assumptions needed in known existence theories is so-called safe-load condition. This kind of assumption is an indirect assumption on regularity of data. Our main goal is to present a method to obtaining existence of solutions, where the safe-load condition can be replaced by an assumption abouth the size of the set of addmissible stresses.

Wybrane problemy gospodarowania wodą na świecie

Omówione zostaną przyczyny deficytu wody na świecie oraz wielkość i zmienność zasobów wodnych w perspektywie czasowej do roku 2050. Podamy przykłady przeeksploatowania zasobów wodnych w kontekście wielkich rzek i jezior oraz przeprowadzimy analizę wykorzystania wód podziemnych.

Periodic solutions of generalized ordinary differential equation

The lecture describes various results on the existence of T-periodic solutions of generalized ordinary differential equations in Kurzweil sense. Extensions of the averaging method for systems containing a small parameter and of the author's continuation theorem for strongly nonlinear systems are described. Topological degree arguments are used in the proofs. Applications are made to ordinary differential systems with impulses. This is a joint work with Marcia Federson and Carol Mesquita.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

The role of complex numbers in quantum mechanics

Wave-particle duality is one of the basic features of quantum mechanics, giving rise to the use of complex numbers in describing states of quantum systems, their dynamics, and interaction. Since the inception of quantum theory, it has been debated whether complex numbers are actually essential, or whether an alternative consistent formulation is possible using real numbers only. In this talk I discuss methods to rule out a possible formulation of quantum mechanics with real numbers. In particular, I demonstrate that imaginary numbers play a crucial role for state discrimination: there exist quantum states with a real matrix representation which can be perfectly distinguished via local operations and classical communication, but which cannot be distinguished with any nonzero probability if one of the parties performs measurements described by real matrices. This phenomenon is confirmed experimentally with linear optics, performing discrimination of different two-photon quantum states by local projective measurements. These results prove that complex numbers are an indispensable part of quantum mechanics.

On a general model of immune status

The immune status is the concentration of specific antibodies, which appear after infection with a pathogen and remain in serum, providing protection against future attacks of that same pathogen. Over time the number of antibodies decreases until the next infection.
During an infection, the immunity is boosted and then the immunity is gradually waning, etc. We present a general model of immune status that covers different types of infectious diseases including measles, rubella, smallpox, influenza, invasive bacterial diseases, dengue, pertussis, malaria, and HPV.
The densities of antibody concentration satisfy some partial differential equation with an integral boundary condition, which generates a semigroup of positive operators that preserve integrals. We also present general results concerning asymptotic stability and sweeping of such semigroups [1] and then we apply them to our model [2].
We also analyze special cases of the model, e.g. when immunity decreases exponentially; with constant increase of antibodies after infection; with a threshold concentration of antibodies at the re-infection; and with seasonal infections.

[1] K. Pichor, R. Rudnicki, Asymptotic decomposition of substochastic operators and semigroups, J. Math. Anal. Appl. 436 (2016), 305-321.

[2] K. Pichor, R. Rudnicki, Asymptotic properties of a general model of immune status, J. SIAM Journal on Applied Mathematics 83 (2023),172-193.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

AUTONOMOUS AIR SYSTEMS: Research and development of next generation green aviation solutions

Unmanned Aircraft Systems (UAS) have existed for decades, with the primary market drivers being military requirements. While the value of the UAS as a military asset is well known, civilian use of UAS has seen a dramatic increase in activity in recent years. This talk will present some of the research and development in the area of "Unmanned Air Systems: Design, Build, Test and Fly” at the Center for Aerospace Research at the University of Victoria in partnership with OEMs such as Boeing (USA), Embraer (Brazil), and nationally with the Department of National Defense and Bombardier Aerospace.

The computational and experimental research program aims to improve the performance of complex aerospace engineering systems through advances in mathematical and computational models, and experimental methods that incorporate multidisciplinary analysis, design optimization and subscale UAV model flight testing for the synthesis of optimal and novel aircraft designs. The design and development of physical flight test platforms provide a low-cost opportunity to evaluate flight worthiness of new and unconventional aircraft configurations. The presentation will outline some of the experimental UAV flight test programs for evaluation of joined-wing and high-aspect ratio aircraft configurations in collaboration with OEMs. The UAV based flight test programs enable designers to retrieve quantifiable data and to provide a qualitative assessment of the aircraft handling qualities. It provides new perspectives that may lead to identification of design issues early in the development process thus avoiding expensive re-designs at the detailed design phase of the full scale transport aircraft. Additionally, research efforts in hybrid-electric propulsion systems will also be discussed.

Understanding infection biology at the single-cell level

Activation of immune responses is inherently a heterogeneous process, resulting in probabilistic outcomes of the host-pathogen interactions at the single-cell level. This poses a fundamental systems immunology question: How do robust immune responses emerge from heterogeneous, apparently random, single-cell behaviour? To understand the regulation of innate immune responses we use mathematical modelling, live-cell microscopy, and single-cell genomics. In this talk, I will provide an overview of our recent analyses of the toll-like receptor signalling as well as strategies of the food-borne bacteria Listeria monocytogenes upon infection. In addition, I will outline key objectives of new projects focusing on innate immune defences against L. monocytogenes.

On parametric version of the Minty-Browder Theorem and its applications

We give a parameter dependent version of the celebrated Minty-Browder Theorem about the existence of solutions to nonlinear equations. Basing on this result we obtain a version of the Avramescu Theorem concerning the existence of solutions to a nonlinear system in which the first equation can be treated by a monotone method and the second by the Schauder Theorem. Applications are given to systems which consist of the Leray-Lions type operator with Dirichlet boundary conditions and the p-Laplacian with nonlocal conditions.

Wormholing through rock: insights from 4D X-ray tomography

Dissolution of porous media introduces a positive feedback loop between fluid transport and chemical reactions at mineral surfaces, leading to the formation of distinct wormhole-like channels. These wormholes serve as highly efficient pathways for fluid flow and transport within rocks. Consequently, comprehending their formation is crucial for managing contaminant migration and mitigating the risk of CO2 leakage in geological carbon sequestration.

While we have made significant strides in understanding how flow rate and reaction rate influence wormhole shapes, our knowledge about the dynamic aspects of their propagation remains limited. In this seminar, I will demonstrate how we can track the evolution of wormholes and their impact on flow patterns through in-situ X-ray microCT imaging of dissolving limestone cores. Employing 4D tomography, we can specifically correlate changes in permeability within a dissolving core with the advancement of the wormhole tip.

Through such correlations, we can identify highly cemented regions within the core that serve as permeability barriers, which the advancing wormhole seeks to bypass. Furthermore, we will explore how this information can be complemented by analyzing flow patterns. This can be achieved by introducing a contrast solution during tomographic scanning of the sample. This data enables us to quantify the competition among different wormhole branches, a driving factor in the evolution of the wormholing pattern.

MULTISCALE CONSTITUTIVE MODELLING OF IRRADIATION EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES OF ELASTO-PLASTIC MATERIALS

Radiation-induced damage causes profound changes in the macroscopic response, reflected by progressive material degradation. Damage evolution causes degradation of mechanical properties and severely compromises the lifetime of structural components. Irradiation invariably renders a metal less ductile and leads to drastic modifications of mechanical properties, e.g., growth of porosity, irradiation hardening, reduction in ductility, increase in yield stress and volumetric swelling.
The physically-based multiscale model of irradiation effect on mechanical properties of the elasto-plastic materials is formulated. The complex constitutive model is based on the experimental characterization of damage evolution of materials irradiated with ions and subjected to plastic deformation.
At the atomic scale, all the physical processes in the irradiated materials occurring during and soon after the interaction of energetic incident particles with lattice atoms and the character and migration properties of self-interstitial clusters, dislocation loops kinetics, defect-dislocation interactions, and void formation are studied by molecular dynamics (MD) simulations.
At the meso- and macroscopic levels, a novel material model is defined in the framework of Continuum Damage Mechanics (CDM) and peridynamics theory (PD) to solve the problem of further evolution of radiation induced damage fields under mechanical loading.
Moreover, a new constitutive model is proposed, allowing the description of the creep effects of irradiated materials at cryogenic temperatures and the physics of defect generation. Quantum tunnelling is adopted as the mechanism responsible for creep deformations at sufficiently low temperatures and relatively high-stress levels.


References

1. Nowak M., Mulewska K., Azarov A., Kurpaska L, Ustrzycka A., A peridynamic elasto-plastic damage model for ion-irradiated materials, INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES, ISSN: 0020-7403, DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107806, No.107806, pp.1-46, 2022

2. Ustrzycka A., Physical mechanisms based constitutive model of creep in irradiated and unirradiated metals at cryogenic temperatures, Journal of Nuclear Materials, ISSN: 0022-3115, DOI: 10.1016/j.jnucmat.2021.152851, Vol.548, pp.152851-1-15, 2021

3. Ustrzycka A., Mr z Z., Kowalewski Z.L., Kucharski S., Analysis of fatigue crack initiation in cyclic microplasticity regime, INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE, ISSN: 0142-1123, DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105342, Vol.131, pp.105342-1-15, 2020

4. Ustrzycka A., Skoczen B., Nowak M., Kurpaska L., Wyszkowska E., Jagielski J., Elastic plastic-damage model of nano-indentation of the ion-irradiated 6061 aluminium alloy, INTERNATIONAL JOURNAL OF DAMAGE MECHANICS, ISSN: 1056-7895, DOI: 10.1177/1056789520906209, pp.1-35, 2020

5. Skoczen B., Ustrzycka A., Kinetics of evolution of radiation induced micro-damage in ductile materials subjected to time-dependent stresses, International Journal of Plasticity, ISSN: 0749-6419, DOI: 10.1016/j.ijplas.2016.01.006, Vol.80, pp.86-110, 2016

Remarks: Seminarium jest zwiazane z postepowaniem habilitacyjnym.

Biomimetyczne i biodegradowalne rusztowania komorkowe – od struktury do funkcjonalności

Glowne funkcje podlozy komorkowych to odtworzenie, podtrzymanie i/lub ulepszenie funkcji uszkodzonych tkanek i narzadow. Podloze komorkowe zastepuje naturalna macierz zewnatrzkomorkowa (ang. extracellular matrix, ECM), umozliwiajac wzrost, proliferacje i roznicowanie sie komorek. Z uwagi na biomimetyczność morfologii wlokien elektroprzedzionych, w naszych pracach skupiamy sie na wytwarzaniu podlozy komorkowych glownie ta metoda oraz na zwiekszeniu funkcjonalności i aktywności podlozy poprzez: modyfikacje powierzchni wlokien [P2-P5,P7], formowanie wlokien z biodegradowalnych polimerow [P1-P7], zwiekszenie trojwymiarowości wloknin [P3]. Celem pracy bylo rowniez znalezienie odpowiedzi na pytanie, ktory z parametrow podloza decyduje o syntezie integryn i wybranych bialek ECM [P1]. W pracach opisano wplyw procesow formowania nie tylko na funkcjonalność, ale rowniez strukture podlozy. Cześć wyzwan przed ktorymi stoi inzynieria tkankowa, określono na podstawie przegladu literatury dostepnych na rynku i opracowywanych przez naukowcow podlozy komorkowych [P6].

Bibliografia:
[P1]. Kolbuk D., Ciechomska M., Jeznach O., Sajkiewicz P., Effect of crystallinity and related surface properties on gene expression of primary fibroblasts, RSC Advances, ISSN: 2046-2069, DOI: 10.1039/D1RA07237D, Vol.12, No.7, pp.4016-4028, 2022

[P2]. Jeznach O., Kolbuk D., Marzec M., Bernasik A., Sajkiewicz P., Aminolysis as a surface functionalization method of aliphatic polyester nonwovens: impact on material properties and biological response, RSC Advances, ISSN: 2046-2069, DOI: 10.1039/D2RA00542E, Vol.12, No.18, pp.11303-11317, 2022

[P3]. Kolbuk D., Heljak M., Choinska E., Urbanek O., Novel 3D hybrid nanofiber scaffolds for bone regeneration, POLYMERS, ISSN: 2073-4360, DOI: 10.3390/polym12030544, Vol.12, No.3, pp.544-1-18, 2020

[P4]. Kolbuk D., Jeznach O., Wrzecionek M., Gadomska-Gajadhur A., Poly(glycerol succinate) as an eco-friendly component of PLLA and PLCL fibres towards medical applications, POLYMERS, ISSN: 2073-4360, DOI: 10.3390/polym12081731, Vol.12, No.8, pp.1731-1-17, 2020

[P5]. Kolbuk D., Urbanek O., Denis P., Choinska E., Sonochemical coating as an effective method of polymeric nonwovens functionalization, JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH PART A, ISSN: 1549-3296, DOI: 10.1002/jbm.a.36751, Vol.107, No.11, pp.2447-2457, 2019

[P6]. Urbanek O., Kolbuk D., Wrobel M., Articular cartilage: new directions and barriers of scaffolds development – review, INTERNATIONAL JOURNAL OF POLYMERIC MATERIALS AND POLYMERIC BIOMATERIALS, ISSN: 0091-4037, DOI:2019

[P7]. Dulnik J., Kolbuk D., Denis P., Sajkiewicz P., The effect of a solvent on cellular response to PCL/gelatin and PCL/collagen electrospun nanofibres, EUROPEAN POLYMER JOURNAL, ISSN: 0014-3057, DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2018.05.010, Vol.104, pp.147-156, 2018;

Remarks: Seminarium jest zwiazane z planowanym postepowaniem habilitacyjnym.

Non-conventional chemical reactors

In this presentation I am going to summarize my postdoctoral fellowship in Korea, mostly focusing on non-conventional chemical reactors: spinning, levitating, multiphase, some of them very useful, some of them not at all. From organic synthesis, to recycling lithium-ion batteries, to cross-talking bacterial cultures. I can promise nice videos, beautiful pictures and almost zero theory.

Structural vibration mitigation by means of semi-active adaptation of structural stiffness in chosen discrete and continuous systems

Vibration mitigation in engineering structures is an important and valid research problem even if it is being considered for decades now. Contemporary development of new structures of large span and increased slenderness makes them sensitive to environmental excitation and bring new challenges in terms of safe exploitation. On the other hand, rapid progress in functional materials and advanced digital control techniques allows for researching new adaptive approaches for vibration control. During the seminar, the author's contribution will be presented in the field of vibration control methods by local stiffness modification in structures equipped with semi-active actuators. The presented results consist of chosen control algorithms, mathematical representation of the actuating systems, numerical modeling and experimental verification. The experimental verification considers vibrations in chosen discrete and continuous systems. A specific feature of the considered systems is a demand of the control carrying out in a strict time regime. The presented research results are focused on utilization of piezoelectric materials in semi-active systems.

Remarks: The seminar is connected with the planned habilitation proceeding.

Methodology for damage development monitoring in engineering materials subjected to service loads

The main aim of my research and the subject of scientific achievement is the effective monitoring of the fatigue damage development in engineering materials, especially power engineering steels, supported by optical measurements and analytical calculation methods. Considering a number of advantages leading from optical measuring systems application, the following techniques have been proposed to effectively monitor fatigue damage development in engineering materials:

1. the two optical measurement methods – Electronic Speckle Pattern Interferometry and Digital Image Correlation;

2. An analytical method to determine the damage degree of the structural material caused by operational loads, using measurable damage parameters.

The suitability of optical methods in damage monitoring was initially evaluated for X10CrMoVNb9-1 power engineering steel [A1, A4] and then applied to 10CrMo9-10 [A5] and 14MoV6-3 [A7] steels. Simultaneously, the methodology of measurable damage parameters [A2, A6] was used, and subsequently correlated with optical measurement methods [A1, A5, A7]. The combination of these methods was consequently applied to assess the effect of long-term high-temperature operation (80,000h and 280,000h) on the mechanical properties (especially high and low cycle fatigue) and the microstructure of X10CrMoVNb9-1 [A1, A2] and 10CrMo9-1 [A5, A6] steels. The effectiveness of optical measurement methods was also investigated in terms of modern engineering materials, i.e. nickel superalloys [A3] and fiber composites [A8].
References
A1.Suitability of DIC and ESPI optical methods for monitoring fatigue damage development in X10CrMoVNb9-1 power engineering steel,
Kopeć M., Brodecki A., Kukla D., Kowalewski Z.L. Archives Of Civil And Mechanical Engineering, 21, 167, pp.1-13, 2021
DOI: 10.1007/s43452-021-00316-1
A2.Effect of high temperature exposure on the fatigue damage development of X10CrMoVNb9-1 steel for power plant pipes,
Kopeć M., Kukla D., Brodecki A., Kowalewski Z.L. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 189, 104282, pp. 1-16, 2021
DOI: 10.1016/j.ijpvp.2020.104282
A3. Assessment of fatigue life of aluminized, coarse-grained MAR247 alloy supported by full-field ESPI measurements,
Kopeć M., Kukla D., Kowalewski Z.L. Journal Of Theoretical And Applied Mechanics, 60, 4, pp.619-623, 2022
DOI: 10.15632/jtam-pl/153041
A4.The stress and strain distribution in X10CrMoVNb9-1 power engineering steel after long time degradation studied by the ESPI system,
Kopeć M. Bulletin Of The Polish Academy Of Sciences: Technical Sciences, 70, 2, pp.1-7, 2022
DOI: 10.24425/bpasts.2022.141181
A5.Monitoring of fatigue damage development in as-received and exploited 10CrMo9-10 power engineering steel supported by Digital Image
Correlation,
Brodecki A., Kopeć M., Kowalewski Z.L. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 104889, pp.1-9, 2023
DOI: 10.1016/j.ijpvp.2023.104889
A6.Fatigue damage development in 10CrMo9-10 steel for power plant pipes in as-received state and after 280 000 hours of exploitation,
Kopeć M., Brodecki A., Kowalewski Z.L. Archives Of Civil And Mechanical Engineering, 23:98, pp.1-10, 2023
DOI: 10.1007/s43452-023-00637-3
A7.Fatigue damage development in 14MoV6-3 steel for power plant pipes monitored by Digital Image Correlation,
Kopeć M. Acta Mechanica Solida Sinica, pp.1-13, 2023
DOI: 10.1007/s10338-023-00387-y
A8.Metric entropy and Digital Image Correlation in deformation dynamics analysis of fibre glass reinforced composite under uniaxial tension,
Kopeć M., Garbacz G., Brodecki A., Kowalewski Z.L. Measurement, 205, 112196, 2022
DOI: 10.1016/j.measurement.2022.112196

Remarks: The seminar is connected with the planned habilitation proceeding.

Computational Modeling and Simulations of Biomolecular Systems

Molecular dynamics (MD) simulation has become the computational microscope [1] and together with computational modeling are powerful tools for the study at the molecular level of large and complex systems. This knowledge is allowing us to develop novel strategies for the understanding of the biomolecular organization in cells and its biomechanical response. The modeling of a heterogeneous system composed of proteins, nucleic acids, lipids and other biomolecules has become possible due to the development of different atomistic force fields. However, the time scales of biological processes involving the folding of proteins, allosteric communication, self-assembly among other events are expected in the range of micro s - ms, and hence they are orders of magnitude slower than molecular motion (i.e. ps-ns), which is sampled by all-atom MD simulations. Also the length scales of conformational rearrangements are much smaller in all-atom MD simulation than they would be for studying processes involving large biomolecular systems. In this regard, other alternative computational strategies are available to reach biological scales, known as coarse-grained (CG) methods. In this talk I will discuss the development of a few of those strategies such as the structure-based CG approach [2] and the GoMartini approach [5]. Furthermore I will highlight a few applications in nanomechanics of biological filaments [3-4] and the study of self-assembly processes in polysaccharides [6].

References

1. Poblete, S., Pantano, S., Okazaki, K. I., Liang, Z., Kremer, K., Poma, A. B. (2023). Recent advances in computational modelling of biomolecular complexes. Front. Chem., 11.1-4
2. Poma, A. B., Chwastyk, M., Cieplak, M. (2015). Polysaccharide–protein complexes in a coarse-grained model. J. Phys. Chem. B, 119(36), 12028–12041.
3. Poma, A. B., Cieplak, M., Theodorakis, P. E. (2017). Combining the MARTINI and structure-based coarse-grained approaches for the molecular dynamics studies of conformational transitions in proteins. J. Chem. Theory Comput., 13(3), 1366-1374.
4. Poma, A. B., Chwastyk, M., Cieplak, M. (2016). Coarse-grained model of the native cellulose I alfa and the transformation pathways to the I beta allomorph. Cellulose, 23(3), 1573-159.
5. Poma, A. B., Chwastyk, M., Cieplak, M. (2017). Elastic moduli of biological fibers in a coarse-grained model: Crystalline cellulose and beta-amyloids. Phys. Chem. Chem. Phys., 19(41), 28195-28206.
6. Moreira, R. A., Weber, S. A., Poma, A. B. (2022). Martini 3 Model of cellulose microfibrils: on the route to capture large conformational changes of polysaccharides. Molecules, 27(3), 976.

Graphitized and highly mesoporous graphene with high durability and sponge-like flexibility

In this talk, graphitized and highly mesoporous graphene material, “graphene mesosponge (GMS)”, is introduced as a multi-functional carbon material (Fig. 1) [1]. GMS is synthesized by a hard-templating method using Al2O3 [1] or MgO [2] nanoparticles via precisely controlled chemical vapor deposition in which the average stacking number of graphene sheets is adjusted to 1. After template removal, the resulting mesoporous carbon is graphitized at 1800 °C to form GMS. By such a high-temperature treatment, most carbon edge sites that cause corrosion of batteries [3] can be removed, and GMS exhibits ultra-high stability against chemical oxidation and electrochemical oxidation. Despite such durability, GMS possesses a high surface area (ca. 2000 m2/g) and a large pore volume (> 3 cm3/g). Moreover, GMS has a high electric conductivity superior to carbon blacks. Furthermore, GMS has sponge-like flexibility and toughness. GMS shows reversible deformation and recovery upon applying mechanical force and its removal [4]. Such unique properties of GMS enable its use as next-generation durable and high-performance carbon material for battery applications. As an electrode material for electric double-layer capacitors, GMS exhibits ultra-high voltage stability up to 4.4 V even in a conventional organic electrolyte (Et3MeN/BF4), which surpasses single-walled carbon nanotubes (SWCNT) [5]. Also, GMS is useful for Pt support of polymer-electrolyte fuel cells [6], cathode S-support of all-solid Li-ion batteries [7], and a cathode of Li-air batteries [8].

References
[1] H. Nishihara, et al., Adv. Funct. Mater., 26, 6418-6427 (2016).
[2] S. Sunahiro, H. Nishihara et al., J. Mater. Chem. A, 9, 14296-14308 (2021).
[3] R. Tang, H. Nishihara, et al., J. Mater. Chem. A, 7, 7480-7488 (2019).
[4] K. Nomura, H. Nishihara et al., Nat. Commun., 10, 2559 (2019).
[5] K. Nomura, H. Nishihara et al., Energy Environ. Sci., 12, 1542-1549 (2019).
[6] A. Ohma, H. Nishihara, T. Kyotani et al., Electrochim. Acta, 370, 137705 (2021).
[7] M. Morooka, H. Nishihara, T. Kyotani et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 38613-38622 (2021).
[8] W. Yu, H. Nishihara, et al., Adv. Sci., DOI: 10.1002/advs.202300268.

Understanding cell signal perception and misperception using optogenetic probes

Cell signaling networks are the brains of the cell, allowing a cell to sense—and perceive—its environment by processing information through interconnected biochemical networks. Light-activated "optogenetic" control of cell signaling allows us to ask how these networks perceive external stimuli appropriately, and how this processing breaks down in diseases like cancer (signal "misperception"). I will describe our early work in this area where we applied this approach in lung cancer cells and found unexpected functional interactions between cell signals, oncogenes, protein aggregation, and targeted therapies. We find that such interactions can reshape cell perception by changing important signal features like kinetics or sensitivity of signal activation, and that such network-level changes can contribute to clinically important behaviors like hyper-proliferation or drug resistance.

Towards Nonlocal Mechanics via Continuum-kinematics-inspired Peridynamics

Continuum-kinematics-inspired peridynamics (CPD) has been recently proposed [1, 2] as a geometrically exact formulation of peridynamics that is also variationally consistent. Unlike the original formulation of peridynamics (PD), CPD can accurately capture the Poisson effect [3]. Due to its geometrically exact nature, CPD does not suffer from zero-energy modes and displacement oscillations that have been reported in some of the state-based PD formulations. We distinguish between three types of interactions, namely, one-neighbor interactions, two-neighbor interactions, and three-neighbor interactions. While one-neighbor interactions are equivalent to the bond-based interactions of the original PD formalism, two- and three-neighbor interactions are fundamentally different to state-based interactions in that the basic elements of continuum kinematics are preserved exactly.Moving forward, we elaborate on thermodynamic restrictions on the interaction energies and derive thermodynamically-consistent constitutive laws through a  Coleman–Noll-like procedure. Notably, we have shown that various choices for temperature or coldness satisfy the dissipation inequality and provide meaningful temperature or coldness evolution equations together with nonlocal Fourier-like conduction equations [4].For three-dimensional elasticity, CPD builds upon three types of interactions that altogether preserve the basic notions of classical continuum kinematics, namely length, area and volume. The isotropic three-dimensional CPD formulation of non-local elasticity therefore involves three material constants, associated with length, area, and volume. Through localization and linearization, we rigorously establish relationships between the material parameters of CPD and isotropic linear elasticity. It is shown that the three material parameters of CPD reduce to two independent parameters that can be expressed in terms of any pairs of isotropic linear elasticity constants, see [5,6] for two- and three-dimensional analysis.

REFERENCES [1] A. Javili, A. McBride, P. Steinmann (2019). Continuum-kinematics-inspired peridynamics. Mechanical Problems. J. Mech. Phys. Solids. 131: 125–146.

[2] A. Javili, S. Firooz, A. McBride, P. Steinmann (2020). The computational framework for continuum-kinematics-inspired peridynamics. Comp. Mech. 66: 795–824.

[3] E. Ekiz, A. Javili (2023). The Variational Explanation of Poisson’s Ratio in Bond‐Based Peridynamics and Extension to Nonlinear Poisson’s Ratio. J. Peridyn. Nonlocal Model. 5:121–132.

[4] A. Javili, E. Ekiz, A. McBride, P. Steinmann (2021). Continuum-kinematics-inspired peridynamics: Thermo-mechanical problems. Contin. Mech. Thermodyn. 33: 2039–2063.

[5] E. Ekiz, P. Steinmann, A. Javili (2022). Relationships between the material parameters of continuum-kinematics-inspired peridynamics and isotropic linear elasticity for two- dimensional problems. Int. J. Solids Struct. 238: 111366.

[6] E. Ekiz, P. Steinmann, A. Javili (2022). From two- to three-dimensional continuum-kinematics-inspired peridynamics: More than just another dimension. Mech.Mater. 173: 104417

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Recent Developments in Unified Mechanics Theory

Newton’s three universal laws of motion do not account for, dissipation, degradation, or damage in the system. However, the laws of thermodynamics govern dissipation, degradation, and damage evolution. The unified mechanics theory unifies the universal laws of motion of Newton and the laws of thermodynamics at the ab-initio level. Therefore, the dissipation, degradation, and damage mechanics of any system are included directly in the governing partial differential equation. However, to be able to unify these two sets of laws the Newtonian space-time coordinate system must be modified. Therefore, a new linearly independent fifth axis is introduced into the space-time coordinate system. The new axis is called the Thermodynamic State Index (TSI) axis which can have values between zero and one. When the entropy generation rate is maximum TSI coordinate is zero. When the entropy generation rate is minimum the TSI coordinate approaches the maximum value of one. The TSI axis is linearly independent, hence, the information represented on the TSI axis cannot be represented on the space-time coordinates. Moreover, the derivative of displacements with respect to entropy is no longer zero, as in classical continuum mechanics. The damage evolution along the TSI axis follows Boltzmann's formulation of the second law of thermodynamics. Therefore, the entropy generation rate must be calculated at each time increment at each material point. The entropy generation rate can be calculated directly from the thermodynamic fundamental equation of a material, which includes all entropy-generating micro-mechanisms that contribute to the failure criterion chosen. The thermodynamic fundamental equation must be derived analytically based on fundamentals of physical chemistry without empirical functions based on curve fitting to test data. Recently, thermodynamic fundamental equations for very high cycle fatigue, metal corrosion, and metal hydrogen embrittlement have been derived analytically and verified experimentally. They will be also presented. The presentation will be at the fundamental level to accommodate all students.

References:
1. Cemal Basaran, Introduction to Unified Mechanics Theory with Applications, second edition, Springer Nature Switzerland AG 2022
2. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-57772-8
3. https://www.amazon.com/Introduction-Unified-Mechanics-Theory-Applications-ebook/dp/B0BRPRYFVJ

Combined effect of diffusion and reaction on the travelling wave profiles of certain reaction-diffusion equations

In this lecture we discuss the existence of monotone travelling wave solutions to the reaction-diffusion equation with rather general density dependent diffusion term. For example, it comprises the porous medium differential operator or the p-Laplacian. The novelty of our approach consists in two facts. First, we focus on the diffusion coefficient which degenerates or has singularities of arbitrary order. In particular, we show that using an appropriate definition of solution the travelling wave profiles exist even in the situations which have not been covered so far. Second, we allow the diffusion coefficient to be discontinuous at a finite number of points with the discontinuities being of the first kind (i.e., finite jumps). As the reaction term concerns, we deal with both bistable and monostable case. In a special case of power-type behavior of diffusion and reaction terms near equilibria we provide detailed asymptotic analysis of monotone travelling wave profiles and classify their shapes. The mutual behavior of both terms, diffusion and reaction, and its influence on the shape of travelling wave is explicitly illustrated and visualized.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Evolution of crystallographic orientation during deformation of 310S austenitic steel

Cardiovascular Modeling and Simulations. A Mathematical Challenge

Mathematical modeling and simulations of the human circulatory system is a challenging and complex wide-range multidisciplinary research field that has seen a tremendous growth in the last few years. This field, with a strong socio-economic impact in the cost and overall status of healthcare, is rapidly progressing, motivated by the fact that cardiovascular diseases are a major cause of death in developed countries.

In this talk we will consider some mathematical models and simulations of the cardiovascular system and comment on their significance to yield realistic and accurate numerical results, using stable, reliable and efficient computational methods. Results on the simulation of some image-based patient-specific clinical cases will also be presented.

References:
[1] A. Fasano and A. Sequeira, Hemomath - The Mathematics of Blood, MS&A Modeling, Simulation and Applications, vol. 18, Springer, 2017.

[2] L. Formaggia, A. Quarteroni, A. Veneziani (Eds.), Cardiovascular Mathematics: Modeling and simulation of the circulatory system, MS&A - Modeling, Simulation and Applications, vol. 1, Springer, 2009.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Computational modeling of cell-extracellular matrix interactions during blood vessel formation

To form the patterns and behaviors that we observe during blood vessel formation, cells must carefully coordinate their behavior through biophysical and biochemical cues. My team analyzes single cell behavior and multicellular development using a combination of mathematical, computational and experimental approaches. I will present a series of our recent computational results, which are based on the cellular Potts model and additional models to represent the mechanics of the ECM, including molecular-dynamics and finite-element approaches. We use these to simulate how properties of how cross-talk between the extracellular matrix (ECM) and the forces exerted by cells can determine cell shape and cell migration. After introducing single cell-behavior model, I will move on to extend these insights to the analysis of mechanical cell-cell communication, giving rise to mechanically-regulated collective cell behavior and morphogenesis. I will first discuss a series of models used to analyze the effect of extracellular matrix stiffness on cell shape, cellular force transduction in fibrous ECMs , and models of anisotropic force generation. Recent versions of our cell-ECM interaction models focus on how our descriptions of focal adhesions, the mechanosensitive ‘feet’ of cells by which they hold on the extracellular matrix, must be improved to analyze mechanical cell-ECM interactions in fibrous matrices. Also we invest in computational improvements to advance towards more detailed multicellular models. Time permitting, I will also discuss our recent work on Delta-Notch signaling, a key cell-cell signaling pathway that is active during angiogensis. Altogether, I will present the use computational approaches for analyzing how local cell-microenvironment interactions coordinate cell behavior during multicellular patterning.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Reaction and diffusion in one to three space dimensions – an invitation

We consider the qualitative dynamics of reaction-diffusion systems like

u_t = D ∆u + f(u)

in one, two and three space dimensions. Examples include convective fluids, surface catalysis, heart tissue, and the Belousov-Zhabotinsky medium. Rotating spiral wave patterns are a characteristic feature of planar excitable media systems. Scroll waves are three-dimensional stacks of rotating spirals, with tips aligned along filament curves. Elementary singularity theory, properly applied, provides a framework to systematically understand

• nodal properties, in one spatial dimension
• spiral wave annihilation, in two dimensions, and
• crossover collisions of scroll wave filaments, in 3d.

The latter is the only generic possibility for 3d scroll wave filaments to change their topological knot or linking type.

For old numerical simulations, joint work with Rolf Mantel, see www.mathematik.uni-bielefeld.de/documenta/vol-05/21.html Experimental confirmation has been obtained by Marcus Hauser (University of Magdeburg).

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Barenblatt profiles for a nonlocal porous medium equation

A degenerate nonlinear nonlocal evolution equation is considered; it can be understood as a porous medium equation whose pressure law is nonlinear and nonlocal. We show the existence of sign changing weak solutions to the corresponding Cauchy problem. Moreover, we construct explicit compactly supported self-similar solutions which generalize Barenblatt profiles - the well-known solutions of the classical porous medium equation.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

CREDO-Maze Project. Extensive system of local EAS mini-arrays

The CREDO-Maze project was developed at the University of Łódź to extend the CREDO Program with a system of local, school-based mini-arrays for small EAS registration. We designed minimal detector systems for monitoring cosmic ray showers, with minimization focused on construction costs. The idea is that such ready-made detector stations are to be lent to the schools concerned, which will commit to keeping them in good shape and regularly uploading data to the CREDO-Maze Project's central server, eventually to the CREDO database. Several of them are currently in operation at high schools in Lodz.

Application of modeling and experimental research of the musculoskeletal system in diagnostics and physioprophylaxis

During the lecture, biomechanical methods to assess the functioning of the musculoskeletal system in various aspects of human physical activity will be presented. In particular, the following will be presented:

1. biomechanical measurement techniques such as: motion analysis, measurements of external forces acting on the human body, measurements of muscle activity using the EMG method.

2. methods of computer modeling of musculoskeletal system loads enabling non-invasive determination of forces acting on joint surfaces and forces generated by individual muscles.

The second part of the lecture will discuss the possibilities of using biomechanical research to support the diagnosis and monitoring of therapy of patients with cerebral palsy and the results of multi-variant simulations of numerical loads operating within the lumbar spine in order to develop assumptions for physioprophylactic and physiotherapeutic programs.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Mathematical Models for the Regeneration of Flatworms

Planarians are flatworms which possess the ability to regenerate after rather severe injuries to their body. Even very small tissue parts cut from the flatworm can regenerate to a fully functioning and intact organism,
similar to the phenomena seen in hydra. Based on experimental data, a system of reaction-diffusion equations for the regeneration of planarian flatworms is discussed. This system correctly reproduces typical cut and graft experiments.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Crises propagation and behavioural effects in multi agents self-reflexive real business cycle models

The Global Financial Crisis of 2008 left was also a crisis for macroeconomic models. On the one hand, orthodox economists persist in using the skeleton of classical models, while on the other hand, various groups of heterodoxes have proposed different ways to change the foundations of Economics. Our research aims to bridge the gap between Neo-classical Economics and complexity Economics using methods and techniques from statistical physics. Beginning with standard economic models, we study the addition of a self-reflexive feedback impacting the confidence of individual economic agents. This induces large output swings despite only minor variations in economic conditions. Within this framework, economic crises propagate endogenously and are amplified by interactions. Later on, we enrich the previous framework by taking into account heterogeneities, studying how economic recessions propagate through the different strata of society.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link:https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Ergodic and chaotic behaviour of some partial differential equations and applications to some biological models.

We present a brief introduction to the mathematical theory of chaotic systems. We focus mainly on the ergodic approach. The main idea is to show that the semiflow has an invariant mixing measure positive on open sets. From this it follows that every trajectory is unstable, there are trajectories whose closure is the whole space and trajectories are turbulent in the sense of Bass. Then we consider flows generated by semilinear partial differential equations of the first order. Such equations generate semiflows on some spaces of functions. Using measures defined by stochastic processes or by random fields, we construct ergodic measures invariant with respect to semiflows generated by PDEs. Next we present three cell population models which lead to chaotic systems. The first one describes the evolution of the spatial distribution of a population developing from a single source. The second model characterises the uncontrolled evolution of the maturity of blood cell precursors cells. The last one is a classical size structured model given by a partial differential equation with a non-local division term. It should be noted that most of the recent papers on chaos for semigroups of operators are based on the study of the spectral properties of their infinitesimal generators. This approach seems to be easier than ours, but our approach reveals why these semiflows are chaotic. The second advantage of the approach based on ergodic theory is that we can prove much stronger results on chaos.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Cardiovascular Modeling and Simulations. A Mathematical Challenge

Mathematical modeling and simulations of the human circulatory system is a challenging and complex wide-range multidisciplinary research field that has seen a tremendous growth in the last few years. This field, with a strong socio-economic impact in the cost and overall status of healthcare, is rapidly progressing, motivated by the fact that cardiovascular diseases are a major cause of death in developed countries.
In this talk we will consider some mathematical models and simulations of the cardiovascular system and comment on their significance to yield realistic and accurate numerical results, using stable, reliable and efficient computational methods. Results on the simulation of some image-based patient-specific clinical cases will also be presented.

References:
[1] A. Fasano and A. Sequeira, Hemomath - The Mathematics of Blood, MS&A Modeling, Simulation and Applications, vol. 18, Springer, 2017.
[2] L. Formaggia, A. Quarteroni, A. Veneziani (Eds.), Cardiovascular Mathematics: Modeling and simulation of the circulatory system, MS&A - Modeling, Simulation and Applications, vol. 1, Springer, 2009.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

On applications of topology in the theory of differential equations

We present an overview of selected applicatons of topology in the qualitative theory of ordinary differential equations, including the Ważewski retract method, the Conley index, and the Brouwer degree.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Geometric aspects of shape optimization

Review of known results in shape optimization from the point of view of Geometrical Analysis is presented [1]. This presentation is devoted to the mathematical aspects of the shape optimization theory. We focus on the theory of gradient flows of objective functions and their regularization. Shape optimization is a part of calculus of variations which uses the geometry. Shape optimization is also related to the free boundary problems in the theory of Partial Differential Equations. We consider smooth perturbations of geometrical domains in order to develop the shape calculus for the analysis of shape optimization problems. There are many applications of such a framework, in solid and fluid mechanics as well as in the solution of inverse problems. For the sake of simplicity we consider model problems, in principle in two spatial dimensions. However, the methods presented are used as well in three spatial dimensions. We present a result on the convergence of the shape gradient method for a model problem. To our best knowledge it is the first result of convergence in shape optimization. The complete proofs of some results are presented in [2].

1. P.I. Plotnikov, J. Sokołowski, Geometric aspects of shape optimization, J. Geometrical Analysis, invited review paper in the special issue on Shape Optimization.
2. P.I. Plotnikov, J. Sokołowski, Gradient flow for Kohn-Vogelius functional, HAL preprint

Remarks: The seminar will be held IN PERSON in the INSTITUTE AULA.

Quantum theory vs black holes

I will explain basics of quantum theory and discuss what happens to it, when strong gravity of black holes is involved.

Remarks: The seminar will be held IN PERSON in the INSTITUTE AULA.

Application of neural networks to support challenging computer simulations

This talk will explain how, in three related different ways, it is possible to apply neural networks to support challenging computer simulations of difficult problems that require special stabilization efforts. First, we will discuss an example of such a problem, namely, the advection-dominated diffusion ( see, e.g., Section 5.1 in [1] or Section 4.2 in [2]). We will discuss why this problem is difficult to solve using the standard Galerkin method and finite element analysis. We will explain what it means to stabilize the problem, and we will show how the residual minimization method [1,2] allows for obtaining a correct numerical solution. With this example in mind, we will introduce the Physics Informed Neural Network (PINN) method and its generalization, the Variational Physics Informed Neural Network (VPINN) method, introduced in 2019 by George Karniadakis [3,4]. We will show that PINN and VPINN fail when applied to difficult unstable problems, like the advection-dominated diffusion.I will also present that it is possible to transfer the knowledge from the theory of the classical finite element method to PINN/VPINN world in order to "stabilize" the PINN/VPINN solvers and obtain the correct numerical solution. We will also show that the residual minimization method is equivalent to the Petrov-Galerkin formulation with the optimal test functions. Then, we will explain how neural networks can learn the coefficients of the optimal test functions. By using the optimal test functions as provided by the neural networks, we obtain the stabilization of the difficult computational problems practically for free (in a linear computational cost). Finally, we will show that it is possible to train the neural network the optimal hp refinements of the computational mesh. The neural network once trained the optimal refinements for a given class of problems it, can guide the refinements further without using expensive solvers [5,6]. We will also discuss the differences between the finite element method supported by neural networks and PINN/VPINN

[1] https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA587495.pdf
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045782520303996
[3] https://arxiv.org/abs/2209.05844
[4] https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-77961-0_11
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999118307125
[6] https://arxiv.org/abs/1912.00873
[7] https://arxiv.org/abs/2201.00904

Remarks: The seminar will be held IN PERSON in the INSTITUTE AULA.

Energy Transition

The European energy and climate policy aims to reduce greenhouse gas emissions by introducing the Green Deal as an economy with neutral CO2 emissions. They target electricity supply systems, transportation, operation of industry and ways of public living. The operation is called Energy Transition and embraces all member states by imposing legal regulations on fuels and energy.
The presentation is focused on the power supply systems as one of the largest greenhouse gas emitters. The climate policy sets targets for 2030 to reduce CO2 emissions by 55%, achieve 32% shares of renewables in energy production, and improve energy efficiency by 32,5%. However, the climate targets are very ambitious and expensive. So the EU directs billions of Euros to support the climate policy. Nevertheless, emissions reduction does not only depend on legal regulations, and financial support as energy plants operate under the laws of physics, which seems to be the most significant barrier for politically based decisions.
The main idea of reducing CO2 emissions in the power supply industry was to replace fossil fuel power stations with renewable energy sources (RES), particularly coal power stations. However, the RES can operate for a limited time during the year. For example, PV panels can produce electricity with instaled nominal power only for 1000 hours per year in Central Europe. On the other hand, on-shore wind plants operate for 2300 hours, off-shore windmills in the Baltic Sea for about 3500 hours per year, while the year counts for 8760 hours and requires a continuous electricity supply.
Societies and economies demand more electrical energy every year as the most advanced technologies, such as eMobility, IT technologies, heat pumps, and others, require a robust supply of electrical energy. On the other hand, electricity has specific features: the demand and supply should be balanced each second as electricity stores do not exist because electrical energy is a movement of electrons, and no movement can be stored. Instead, energy can be stored as chemical or mechanical energy in a limited volume and time.
Security of power supply requires the operation of dispatchable power plants which can generate electricity in any weather condition, as “lights must be on 24 hours a day and seven days a week”. Unfortunately, only three available technologies are dispatchable at any time: coal power stations, natural gas plants and nuclear installations. The use of coal should be banned as it emits a large amount of carbon dioxide. Coal was to be replaced by natural gas, at least as a transitional fuel; however, the war in Ukraine verified the idea of replacing coal with natural gas. Nuclear technologies are expensive and dangerous, and some European countries, such as Germany and Austria, have reservations about nuclear power plants.
The crucial question that should be addressed is: how to ensure a continuous and robust electrical energy supply to societies and economies reaching the Energy Transition targets aiming at emission-neutrality.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Peridynamics for domain agnostic analysis

Peridynamics (PD) gained approval in the solid mechanics community since its inception in 2000. It was originally introduced for modeling of progressive failure in materials and structures. It permits long-range interactions occurring over a finite domain which makes it a nonlocal continuum theory. It enables differentiation through integration, removes mathematical singularities, restores nonlocal interactions, introduces an internal length parameter, links different length scales and enables damage initiation and growth at multiple sites. The governing equations of PD are integro-differential in nature and do not require the smoothness of field variables. Over the past 20 years, a considerable number of research articles have been published on PD. The success in accurately predicting crack propagation in various materials and for a large range of space, time, and loading scales, has established PD as an effective tool for engineers and scientists. The purpose of this presentation is to share recent applications concerning multi-physics modeling, multi-scale modeling, material failure, data recovery, data manipulation and model discovery from large data.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Analytical approach to modelling, analysis and dynamics studies on parametrically induced payload pendulation during offshore lifting operations

The subject of research outlines a relevant maritime problem regarding offshore lifting operations. One of the challenges during offshore lifts is the need to deal with the surrounding environment, which under unfavourable conditions can significantly reduce the operating window or increase the risk of an operational failure, which at best may result in damage to the lifted payload, deck crane or ship structure. The worst case scenario is an accident involving the ship's crew assisting in the operation. Due to increasing exploitation of either renewable (offshore wind farms) or underwater hydrocarbon energy resources, the intensification of offshore activities becomes more and more obvious and vessel crane operations are the basis of offshore installations. To assist the industry, engineers have developed several technologies and operational practices, however, access to appropriate modelling methods and methodologies is still significantly limited. In order to support the industry in a better understanding of the complexity of problems undertaken and provide fit-to-purpose solutions, the author proposed a novel approach to modelling offshore lifting operations. The concept of the model and extensive studies on its dynamics on regular and irregular waves are published in the article "Proposal of 3DoF model as an approach to modelling offshore lifting dynamics" in Ocean Engineering (2020). Further research allowed to propose an extended model (payload-vessel) with 5 degrees of freedom, which enables the analysis of operations in a wide spectrum of payload masses ("Preliminary modelling methodology of a coupled payload-vessel system for offshore lifts of light and heavyweight objects", Bulletin of Polish Academy of Science, Technical Sciences, 2021). One of the most important scientific achievements was development of the analytical solution for the payload dynamic response under conditions of parametric excitation on regular waves. The analytical solution was obtained based on perturbative methods - the method of multiple time scales. This solution was confirmed with the solution resulting from the numerical integration of the equation of motion, and its convergence was assessed as very good. The proposed approach allows to determine the working conditions - regions of dynamic instability. Moreover, it enables a description of dynamics of the lifting process and the lifted object response in an analytical form due to explicit physical dependencies. Another benefit is seen in reducing the computationally expensive design process and in the possibility of an efficient recognition of a potentially problematic scenario at early conceptual stages in order to plan an optimal lifting operation. A detailed analysis is available in Ocean Engineering journal, in the article, “Analytical solution of parametrically induced payload nonlinear pendulation in offshore lifting” (2022).

Remarks: he seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Advanced temperature-programmed desorption as a new characterization method for heteroatoms

Temperature-programmed desorption (TPD) has been popularly used for the analysis of inorganic catalysts and carbon materials. In conventional TPD, a sample is heated to typically around 1000C at a fixed heating rate and the desorbed gases are detected for chemical identification as a function of temperature. For example, when TPD is applied to carbon materials, oxygen-functional groups which exist at carbon edge sites can be quantified. However, it has not been developed as a quantitative method for an effective determination of the nitrogen (N) species, mainly due to the higher thermal stability of N in carbon materials than oxygen. Recently, we extended the maximum TPD temperature up to 2100C, realizing the complete determination of N species in carbon materials. Combined with the results of XPS and DFT calculations, we found that the gas emission patterns of NH3, HCN, and N2 obtained by TPD can provide quantitative and qualitative information on the different types of N species including pyrrolic N, pyridinic N, and graphitic N. These results demonstrate that high-temperature TPD analysis is a promising new method for analysis of N species in carbon materials. The presentation will further discuss the potential of high-temperature TPD, including its extension to other heteroatoms and its application to non-carbon materials such as oxides.

Dissecting innate immunity responses to viral infection at the single-cell level

Recognition of viral RNA initiates a signaling cascade culminating in synthesis of interferons (IFNs). Secreted IFNs, by activation of transcription factors of STAT family in surrounding cells, prompt them to prepare for viral infection. Viruses, in turn, convey non-structural proteins to impede the innate immune response. Based on results obtained using single-cell techniques, we proposed an agent (single cell)-based, stochastic, computational model and used it to explain how a infected population of cells can stratify into distinct subpopulations. The winning cells, in response to viral RNA, produce IFNβ (warning yet not infected cells), loosing cells express viral proteins that inhibit innate immune signaling. The proposed model reproduces the experimentally observed complex spatial patterns of respiratory syncytial virus (RSV) spread and dichotomous cell responses


Coauthors: Frederic Grabowski, Marek Kochańczyk, Maciej Czerkies, Zbigniew Korwek, Wiktor Prus.

This research is funded by the Norwegian Financial Mechanism GRIEG-1
(grant 2019/34/H/NZ6/00699, operated by the National Science Centre, Poland)

Remarks: he seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Video z seminarium

Mechanical design of orthopedic internal and external implants for the fracture fixation of lower extremities considering bone healing process

Diaphyseal bone fracture is a common orthopedic problem, which may stem from deteriorative effects of aging or other comorbidities, lack of enough nutrition, genetic disorders, traumatic injuries, or progressive damage accumulation. To mechanically stabilize and anatomically align the mobile fragments of a broken bone, a functional reduction and a stable fixation must be employed. Several plating systems have been developed and improved to enhance the healing outcome and reduce the associated complications to date. The performance of the locking compression plate (LCP) is a multifactorial function. The control parameters of plating, such as geometries, material properties, and physical constraints of the LCP components, affect basic functions associated with bone fixation, including the extent of stress shielding and subsequent bone remodeling, strength and stability of the bone-LCP construct, and performance of secondary bone healing. The appropriate values of design parameters of an LCP construct also a unilateral-uniplanar external fixator to achieve the optimized performance throughout bone healing will be discussed.

Remarks: The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Additive Manufacturing of Ceramics using Preceramic Polymers

Preceramic polymers are precursors for ceramic phases of different compositions. They convert into nano-structured ceramic materials in the system Si(X)OCN (with X = Al, Ti, Zr, etc.), also called PDCs or Polymer-Derived-Ceramics, by high temperature pyrolysis. The resulting materials can have useful structural and functional properties. This talk will discuss the fabrication of (mainly) porous structures starting from pure preceramic polymers (e.g. silicone resins) or silicone resins plus reactive fillers to produce advanced silicate ceramic phases, including bioceramics, suitable for different potential applicationsand Ceramic Matrix Composites. Different types of additive 3D manufacturing techniques were employed, in particular: a) stereolithography(DLP); b) 2 Photon Polymerization fabrication (TPP); c) volumetric additive manufacturing; d) ink extrusion (DIW); e) fused deposition (FDM); f) powder bedbinder jetting(BJ)plus hybrid technologies such DIW+UV or DLP+TPP. Advantages and disadvantages of the different processing techniques employed, in relation to the use of preceramic polymers, will be discussed, and examples of produced and characterized structures for potential use in different applications will be presented.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Spreading speeds and one-dimensional symmetry for reaction-diffusion equations in R^N

The talk will focus on the large-time dynamics of bounded solutions of reaction-diffusion equations in R^N with unbounded initial support. I will discuss the existence of spreading sets and Freidlin-Gartner formulas for the spreading speeds of the solutions in any direction, in connection with the existence of planar traveling waves. I will also explain some results on the asymptotic one-dimensional symmetry of the elements of the omega-limit set of the solutions, in the spirit of a famous De Giorgi conjecture on solutions of some elliptic equations in R^N. The talk is based on joint works with Luca Rossi.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Renewal equations and epidemic models

The talk has four interrelated aims:

* to highlight the renewal equation formulation of epidemic models, as introduced by Kermack and McKendrick in 1927 (and its more recent discrete time variant)

* to demonstrate that compartmental models correspond to very special kernels

* to promote a view of delay equations that covers, in addition to delay differential equations, renewal equations 

* to advocate the pseudospectral approximation methodology for performing a numerical bifurcation analysis of delay equations with ODE tools

If time permits, the talk will be concluded by a short foray into epidemic models that incorporate host heterogeneity.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Hysteresis design of magnetic solids

Due to their ubiquity, magnetic materials play an important role in improving efficiency and performance in the context of power generation and power conversion ("Energiewende", electromobility, ...). This is especially true with regard to the geopolitical availability of rare earth intermetallics for hard magnets. To meet this challenges, new and particularly powerful highperformance magnets are necessary [1]. It has been shown that composite materials consisting of ferromagnetic grains separated by paramagnetic interphases layers can contribute to significant improvements in coercivity, when these interphases decouple the magnetic exchange between the individual grains [2]. Optimized microstructures can therefore lead to improved hysteresis properties. Here, finite element based in-silico characterizations, as micromagnetic simulations may be used to predict the magnetization distribution on fine scales. To correctly reproduce the behavior of magnetic materials, competing energies contributions are considered within the energy functional, which are also responsible for the formation of magnetic domains. The evolution of the magnetization vectors is described by the Landau-Lifshitz-Gilbert equation, which requires the numerically challenging preservation of the Euclidean norm of the magnetization vectors [3]. Finite elements have proven to be particularly suitable for an accurate discretization of complex microstructures compared to other established numerical methods [4]. This lecture gives a short excursion into the world of magnetism. It starts with an introduction to fields generated by the presence of magnetic materials and their efficient numerical calculation. Subsequently, the theory of micromagnetism is introduced and brought into a numerical context. Last but not least, the application areas of the discussed methods are shown by suitable numerical examples.

[1] O. Gutfleisch, M.A. Willard, E. Brück, C.H. Chen, S.G. Sankar and J. Ping Liu. Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient. Advanced Materials, 23: 821–842, 2011.
[2] M. Soderžnick, H. Sepehri-Amin, T.T. Sasaki, T. Ohkubo, Y. Takada, T. Sato, Y. Kaneko, A. Kato, T. Schrefl and K. Hono. Magnetization reversal of exchange-coupled and exchange-decoupled Nd-Fe-B magnets observed by magneto-optical Kerr effect microscopy. Acta Materialia, 135: 68–76, 2017.
[3] A. Prohl. Computational Micromagnetism. Computational Material Science, 44:253-258, 2008.
[4] A. Vansteenkiste, J. Leliaert, M. Dvornik, M. Helsen, F. Garcia-Sanchez and B. Van Waeyenberge. The design and verification of MuMax3. AIP Advances, 4: 107133, 2014.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Behavior of materials for protective structures under impact loadings – experiments and modeling

The presentation aims to show the complexity of phenomena analyzed in the terminal ballistics. High-velocity ballistic impacts concern various projectile/target combinations, multi-material components and a variety of mechanisms occurring during target penetration and perforation. Several examples of different threat/target configurations are discussed in which the impact velocities varied between 50 m/s and 1500 m/s. Comprehension of the physical phenomena that occurred during an impact may be gained based on a precisely performed impact test supported by modern measurement and observation techniques. Analysis of microstructural changes may also provide insight into conditions leading to deformation and failure of the examined configuration. The presented experimental results are complemented by the finite element method numerical analyses of threat–target interactions, which employ a characterization of material and dynamic properties of the structures involved in the impact. The modeling approach describes the visco-plastic behavior of the deforming materials, as well as the fracture onset and crack propagation. Phenomenologically, the flow models account for strain rate and temperature effects, whereas the fracture modeling uses the stress triaxiality parameter and the Lode angle function to simulate fracturing. Computational methods, ballistic testing and dynamic characterization of materials cannot separately lead to a better understanding of the mechanisms, which govern the behavior of materials and structures subjected to an intense impulsive loading. However, a combination of these approaches contributes to advances in the understanding of short-time response phenomena resulting in optimized, lightweight designs capable of withstanding high-velocity impacts.


The seminar is connected with the planned habilitation proceeding.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Mathematical modelling of respiratory viral infections

In this lecture we will present an overview of recent works on mathematical modelling of respiratory viral infections. We will begin with the investigation of infection progression in cell culture. We will determine viral load and infection spreading speed and we will apply these results to evaluate infectivity and severity of symptoms for different variants of the SARS-CoV-2 infection. Next, we will model the emergence of new variants and their competition. Finally, we will discuss the influence of mucus motion on the progression of viral infection in the respiratory tract.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Why Are Periodic Erythrocytic Diseases so Rare in Humans?

Many studies have shown that periodic erythrocytic (red blood cell linked) diseases are extremely rare in humans. To explain this observation, we develop here a simple model of erythropoiesis in mammals and investigate its stability in the parameter space. A bifurcation analysis enables us to sketch stability diagrams in the plane of key parameters. Contrary to some other mammal species such as rabbits, mice or dogs, we show that human-specific parameter values prevent periodic oscillations of red blood cells levels. In other words, human erythropoiesis seems to lie in a region of parameter space where oscillations exclusively concerning red blood cells cannot appear. Further mathematical analysis show that periodic oscillations of red blood cells levels are highly unusual and if exist, might only be due to an abnormally high erythrocytes destruction rate or to an abnormal hematopoietic stem cell commitment into the erythrocytic lineage. We also propose numerical results only for an improved version of our approach in order to give a more realistic but more complex approach of our problem. 

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Using CompuCell3D-Based Multicellular Virtual Tissues to Explore the Interaction between Cellular Networks, Biomechanics and Tissue Responses in Development, Infection and Toxicology

Multiscale, multicellular Virtual Tissue models built using modeling frameworks like CompuCell3D are versatile tools for exploring the complex interactions between intracellular signaling and gene-regulatory networks, inter-cellular signaling through contact and diffusible signals, and force generation, cell migration and shape change. I will illustrate how CompuCell3D can simplify the construction of complex, reusable Virtual Tissues (interested members of the audience can download the software from (www.compucell3d.org) or run it on-line at (https://nanohub.org/resources/cc3dbase4x; usage is free but does require you to register in advance). I will also illustrate several classic applications of CompuCell3D in exploring 1) Competing Mechanisms of tissue reorganization during somite formation (the symmetry breaking which defines the segmental structure of the vertebrate spine and ribs, 2) the effects of spatial inhomogeneity on viral infection and drug efficacy, 3) How exposure to toxic chemicals can leading to developmental defects. I will also briefly discuss advances in CompuCell3D to enable it to be used in a Jupyter notebook environment and our new Mechanica software package.

Dr. Glazier received his B.A. in Physics and Mathematics from Harvard University and his M.S. and Ph.D. in Physics from the University of Chicago. His research focuses on experimental and computational approaches to pattern formation in embryology. He has held faculty appointments at the University of Notre Dame and Indiana University, Bloomington, where he is founding director of the Biocomplexity Institute, Professor of Intelligent Systems Engineering and Adjunct Professor of Physics, Informatics and Biology.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 14:10 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Modeling and measuring the propagation Covid-19

Measuring, monitoring, and understanding the spreading of Covid-19 and other epidemics is of course a major endeavor of science and of public health policy.

In this talk, I will first report some observations coming from Wastewater Based Epidemiology (WBE), a relatively recent development that holds considerable potential for the quantitative early monitoring of epidemics (of various kinds). Together with progress in precise analysis, such as digital PCR, WBE allows for very precise observation of dynamical structures that beg for explanations.

To this end, I will present a new model in epidemiology that generalize the classical SIR model. Considering heterogeneity, variability and social diffusion of behaviors we are led to a system of reaction-diffusion equations. I will show that this model yields a rich dynamical structure that reproduces the outstanding features of epidemics such as the formation of plateaus, “shoulders” and rebounds.

I report here on a series of joint works with B. Desjardins, B. Heintz and J-M. Oury.

References:
- https://www.nature.com/articles/s41598-021-97077-x
- Quels sont les effets des comportements individuels dans la propagation des épidémies? (in French) https://www.youtube.com/watch?v

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

The effect of actual porous microstructure on the formation of dynamic necks and adiabatic shear bands

In this talk, we present a novel microstructurally-informed finite element analysis to investigate the effect of actual porosity on the formation of dynamic necks and adiabatic shear bands in metallic materials subjected to high strain rates. We have characterized by X-ray tomography the porous microstructure of different additively manufactured materials (aluminium alloy AlSi10Mg, stainless steel 316L, titanium alloy Ti6Al4V and Inconel 718L) with initial void volume fractions ranging from 0.0007% to 2%, and pore sizes varying between from 6 to 110 micrometers. The pore size distributions obtained from the tomograms have been fitted using a Log-normal statistical function, which has been used in conjunction with a Force Biased Algorithm to generate finite element models in ABAQUS with actual distributions of voids. Two benchmark problems have been investigated: dynamic torsion of thin-walled tubes and dynamic stretching of thin plates. The finite element results provide new insights into the role of void volume fraction and voids size on the formation of dynamic plastic instabilities for different loading rates and stress states. Selected comparison with experimental results and with calculations carried out with homogenized Gurson-type constitutive models will be shown. The outcomes of the analysis provide indications on the capacity of additively-manufactured metals to absorb energy under impact loadings.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Viral Pathogenesis in the Era of COVID

In this lecture, we describe similarities and differences in the pathogenesis of AIDS and COVID-19, discussing the specific aspects of the two viruses involved (HIV and SARS-CoV-2) in shaping the interaction with the human and primate immune system, and the resulting consequences in terms of disease severity and prognosis. In this regard, we will examine how HIV infection -- despite the dramatic success of antiretroviral therapy (ART) in curbing AIDS-related morbidity and mortality - has been historically almost impossible to either prevent with an effective vaccine and to "cure" with interventions aimed at eliminating the virus reservoir under ART, and will discuss novel immune cell interactions that are exploited by HIV to survive in a latent, replication-competent form. In contrast, the COVID-19 pandemic has been effectively controlled by a number of rapidly developed vaccines, with a combination of host immune responses (either vaccine or infection-induced) that appear able to limit the instances of severe disease. Both AIDS and COVID pandemics emphasize the importance of studying and understanding the virus-host interaction at the molecular and cellular level, and the consequent effects in terms of disease pathogenesis, in order to successfully reduce the risk of dangerous virus infections.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 2:40 pm under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621 Please note that exceptionally the seminar will be held on Thursday!

How Hydraulic Fracture is paying back to Fracture Mechanics

This talk aims to provide an overview of key results by the Aberystwyth group in the mathematical and numerical modelling of hydraulic fracture that we have been privileged to work with over the last decade. Revisiting the approach to a basic (BEM) algorithm for the classic HF models (PKN, KGD, Radial), has eventually allowed us to construct an extremely accurate and effective time-space adaptive algorithm for the models. Utilizing this, and adjusting where necessary, we have been continuing our endeavour to analyse some of the more delicate pieces of this extremely rich theory. First, we considered the effect of the shear traction induced by the fluid on the crack surface and discover another, fourth, stress intensity factor, which to our best knowledge was not previously known in the classical Fracture Mechanics. This required us to compute Rice’s Energy Release Rate taking the effect into account. Furthermore, discussing the results, we have extended the classic Irwin’s crack closure integral representation to the ERR computation. Interestingly, this leads to a complete LEFM theory with six SIFs with applications to, among others, hydraulic fracturing, soft materials containing stiff inclusions, rigid inclusions, shear bands and cracks characterized by the Gurtin-Murdoch surface stress elasticity. It also resolves an ambiguity in using the same SIF’s terminology in the cases of open cracks and rigid inclusions. Finally, if time permits, we will discuss whether an averaging-based approach to the material toughness can be introduced and justified (we remind that, generally speaking, a toughness homogenesation was proven to be the wrong conception in the framework of LEFM).

References

[1] Peck, D., Da Fies, G., Dutko, M., Mishuris, G. (2022). Periodic toughness distribution - Can an effective/average toughness concept be feasible? Case study: KGD fracture in an impermeable rock. Mathematics and Mechanics of Solids (submitted).

[2] Piccolroaz, A., Peck, D., Wrobel, M., Mishuris, G. (2021). Energy Release Rate, the crack closure integral and admissible singular fields in Fracture Mechanics, IJES, 164, 103487, 10.1016/j.ijengsci.2021.103487

[3] Wrobel, M., Mishuris, G., Piccolroaz, A. (2017) Energy release rate in hydraulic fracture: Can we neglect an impact of the hydraulically induced shear stress? IJES, 111, 28-51. 10.1016/j.ijengsci.2016.09.013

[4] Wrobel, M. Mishuris, G. (2015) Hydraulic fracture revisited: Particle velocity-based simulation. IJES, 94, 23-58, 10.1016/j.ijengsci.2015.04.003

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Mathematical models of cancer drug resistance

Drug resistance is a primary obstacle in cancer treatment. In many patients who first respond well to treatment, relapse occurs within months. The question how to overcome drug resistance is currently explored in many clinical trials, by using combination of drugs, or by changing protocols of treatment. Mathematical model can be useful in explaining how resistance to cancer drug develops, and then suggesting how to overcome it. In this talk I will give several such examples. The mathematical models are represented by dynamical systems of PDEs for variables which are cells densities, concentrations of proteins (cytokines) and drugs, within a tumor; the tumor boundary is evolving in time, it is a free boundary, unknown in advance. The model is validated by comparison the simulations of the model with mice data. The drugs we shall consider are mostly immunotherapy, PD-1 and CTLA-4 inhibitors; these drugs, which were developed a few years ago, revolutionized the treatment of melanoma , lung cancer and other cancers, but have been associated with resistance.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 13:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Zooming in the Contact Interface: Roughness, Contact, and Transport of Heat and Mass

Because of the roughness (inevitably present in most natural and engineering surfaces), when being brought in contact, solids touch over multitude of separate 'islands' forming the true contact area, which in general is considerably smaller than the nominal contact area. The true contact area strongly affects almost all facets of interfacial physics such as stress state, friction, adhesion, wear, and also transport of energy across and transport of mass along the interface. Using advanced numerical simulations, we study how the contact area grows under increasing pressure for different material and roughness parameters [1,2]. In this context, we will discuss some details of generation of synthetic fractal surfaces, their characterization and the interplay of parameters: root mean squared height and slope, Nayak’s parameter, normality, cut-off wavelengths and fractal dimension. Notably, we will demonstrate the effect of higher spectral moments of the roughness on the evolution of the contact area, which were missed in previous studies.

References
[1] V.A. Yastrebov, G. Anciaux, J.F. Molinari, From infinitesimal to full contact between rough surfaces: evolution of the contact area, Int. J. Solids Struct., 52:83-102 (2015)

[2] V.A. Yastrebov, G. Anciaux, J.F Molinari, The role of the roughness spectral breadth in elastic contact of rough surfaces, J. Mech. Phys. Solids, 107:469-493 (2017)

[3] A.G. Shvarts, J. Vignollet, V.A. Yastrebov. Computational framework for monolithic coupling for thin fluid flow in contact interfaces. Comp. Meth. App. Mech. Eng., 379:113738 (2021)

[4] A.G. Shvarts, V.A. Yastrebov. Trapped fluid in contact interface. J. Mech. Phys. Solids, 119:140-162 (2018).

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

The role of collective phenomena in delivering materials with new functionalities

The aim of this colloquium-style talk is to introduce the audience to the exciting possibilities brought to us by electronic transport beyond the standard Fermi liquid picture. I will begin by introducing the collective motion of electrons and indicating when this regime can dominate the transport phenomena of a material. In this regime a new category of materials “bad metals” exists which lie exactly in between traditionally recognized metals and insulators. I will then move on to real materials where such a situation is realized. The first one is lithium molybdenum purple bronze, where the collective behaviour leads the system right to the edge of metal-insulator transition. I will also present extraordinary properties of this material, such as anisotropic magneto-resistance and magneto-chromatic effect, that emerge as a result. The second material is bismuth telluride, where I will focus on the role of microstructure in delivering its large, but so far not understood, thermoelectric effect. The third material is engineered silicon surface covered with gold atoms, where the microscopic phenomenology has been directly observed by means of scanning electron microscopy. I will conclude with closing remarks that indicate possible applications of these systems.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Examples of failure analysis of multiphase materials

Multiphase materials have significant applications in the aerospace and engineering industries. They are subjected to various extreme loads, such as impacts or sudden pressure growth. During the presentation, we will present examples of the forms of failure of such materials. Numerical analyzes are performed with the use of finite element and peridynamics methods, for example [1,2]. Effects such as thermomechanical coupling and development of failure zones are presented.

[1] Postek E., Sadowski T., Thermomechanical effects during impact testing of WC/Co composite material, COMPOSITE STRUCTURES, Vol.241, pp.112054-1-25, 2020

[2] Postek E., Sadowski T. Impact model of the Al2O3/ZrO2 composite by peridynamics, COMPOSITE STRUCTURES, Vol.271, pp.114071-1-12, 2021

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Processes of fragmentation and coagulation - Smoluchowski's equations and beyond

Fragmentation and coagulation equations describe processes of rearrangement of matter among clusters and are thus considered to be among the most fundamental equations of the classical description of matter. In this talk, we provide a brief survey of natural processes described by these equations, focusing on their generalizations to cover the cases in which the clusters can grow or decay, and discuss recent solvability and asymptotic results.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Some aspects of mathematical modelling of cell cycle

Modeling of cell cycle is one of the fundamental subject of mathematical biology because it could help to solve such problems as synchronization of cell division in cancer therapy and allows to understand dynamics of growth of cellular populations (e.g. tissues). There are many different models of cell cycles - some of them are based on application of semigroups of operators. In my talk I am going to give some introduction to this subject, in particular, I will briefly discuss the models that I have studied: a model of maturity structured population, two-phase models, one of them given by partial differential equations of the first order with time delay and space variable retardation. The main subject of my talk will be a new age-size structured model based on the cell cycle length [1]. The model is described by a first order partial differential equation with initial-boundary conditions, which leads to a positive semigroup on some L1 space. We establish new criteria for an asynchronous exponential growth of solutions to such equations. A discussion on the generalizations of the model will be a good excuse to present some new challenges in modelling cell cycle. We also compare some teoretical results with existing data and we show that some very popular hypotheses regarding the cell cycle are not correct.

[1] K. Pichór, R.R., Cell cycle length and long-time behaviour of an age-size model, printed in Math. Methods Appl. Sci.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Continuity of electricity supply as a prerequisite for Energy Transformation

Abstract:

1. Development of power systems
2. Energy Transformation
3. Technologies of electrical energy generation
4. Polish power system
5. Power supply adequacy
6. Distractions of energy markets and power system operation
7. Energy Transformation challenges
8. Power systems as critical infrastructure for society and economy

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

The role of epigenetic modifications in diagnosis and treatment of bladder cancer

Urothelial carcinoma (UC) is the second most common malignancy of the genitourinary tract in the world. Due to the recurrence nature of the tumor, UC patients require long-term follow-up with repeated cystoscopy for recurrence monitoring. However, current non-invasive diagnosis of UC using imaging or urine-based molecular diagnosis has only a sensitivity of ~70%, thus a novel sensitive tool for early detection of UC also need to be developed. UC patients would subject to surgical treatment followed by local or systemic followed by chemotherapy. For patients that develop cisplatin-resistance, second-line antibody based-immunology is only effective in a subset of patients. Development of novel therapeutic agents, and yet, effective and safe, are crucial for the treatment of UC. Epigenetic modifications, including DNA methylation and histone modifications, play an important role in cancer progression. We have previously identified novel methylation biomarker for non-invasive diagnosis of UC using urine. Moreover, cyproheptadine, an anti-histamine, can be an epigenetic modifier in reversing the epigenetic silencing of tumor suppressor in UC. These findings will be discussed in this presentation.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

New opportunities in metallurgy: High Entropy Alloys – fabrication methods, microstructure, properties

High entropy alloys (HEAs) are a new group of materials introduced in 2004. Unlike traditional alloys, which are based on one or two main elements, HEAs are multicomponent materials with at least five components each in atomic concentration between 5 and 35%. The multicomponent composition is a source of the occurrence of the four core effects, i.e., high entropy (solid solution phase stabilization), lattice distortion (hardness, mechanical resistance), sluggish diffusion (thermal stability), and cocktail effects. Therefore, many HEAs present superior properties to those found in traditional alloys. It makes them potential candidates for many industrial applications.
The purpose of this lecture is to share experience and literature data about the microstructure and behavior of HEAs prepared by different techniques. Firstly, the most common route of preparation of HEAs – melting and casting and related microstructures and properties will be discussed. Secondly, the current state of the art of powder metallurgy prepared HEAs will be summarized. The focus will be put on the Al-Cr-Fe-Mn-Mo system, which was developed by the presenter. The alloy presents very high hardness and good high-temperature mechanical properties. Finally, the current development of coatings of HEAs and high entropy ceramics will be discussed. The seminar will summarize the current state of the art of HEAs and show future trends in multicomponent materials.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Coupling the phase field approach to fracture and the cohesive zone model for failure analysis of heterogeneous materials

This seminar will provide an overview of the recent achievements in the area of failure analysis of heterogeneous materials and structures based on a variational approach which combines the phase field method for fracture in the bulk and the cohesive zone model for decohesion at existing interfaces. Results and applications, achieved through extensive international co-operations, regard: (i) the fundamental problem of a crack impinging onto an interface in statics and dynamics; (ii) the competition between intergranular and transgranular cracks in polycrystals; (iii) the competition between interlaminar and translaminar cracks in laminates; (iv) understanding in-situ strength effects in long fiber reinforced composites due to the interplay between fiber-matrix decohesion and matrix failure.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Mathematical modeling for deviation of functional responses in prey-predator systems

Prey-predator systems in mathematical ecology possess functional responses which represent the predation rate by a predator per unit time. Typical functional responses are Holling's type I, II and III. In this talk, we present a new approach using fast reaction limit to derive these nonlinear functional responses. Consequently, this technique naturally leads a nonlinear diffusion of the predator density which is called cross-diffusion.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Zastosowanie Teorii Informacji w Neuroinformatyce. Analiza i badanie wpływu podstawowych czynników na efektywność transmisji. Wyzwania związane z kodowaniem neuronowym

Zrozumienie w jaki sposób komórki neuronowe czy też ogólniej mózg kodują informacje, przetwarzają je i zarządzają ich transmisją jest jednym z największych wyzwań współczesnej nauki. Naturalną wydaje się być hipoteza, że komórki neuronowe i sieci neuronów zostały tak ukształtowane przez naturę, aby przetwarzanie i przekazywanie informacji było jak najbardziej efektywne. Pojawiają się jednak kluczowe pytania: W jaki sposób informacja jest kodowana i dekodowana? Co jest optymalizowane podczas przepływu informacji? Które mechanizmy powstałe w procesie ewolucji (i w jaki sposób) wpływają na efektywność transmisji? Celem pracy jest analiza wzajemnych relacji między kluczowymi wielkościami w procesie przesyłania informacji takimi jak: tempo transmisji informacji (ang. Information Transmission Rate , częstotliwość pojawiania sią potencjałów czynnościowych (ang. Firing Rate), korelacje między sygnałami, znaczenie szumu i fluktuacji sygnałów. Do analizy wykorzystano koncepcje wywodzące się z Shannonowskiej Teorii Informacji. Znaleziono formuły ilościowe umożliwiające oszacowanie tempa przesyłania informacji w kanałach transmisyjnych przy założeniu źródeł informacji skorelowanych (modelowanych procesami Markowa) i nieskorelowanych (procesy Bernoulliego). Oszacowano tempo transmisji informacji (ITR) w kontekście częstotliwości pojawiania się potencjałów czynnościowych, korelacji i autokorelacji sygnałów i szumu. Zaproponowane metody zastosowano do analizy tempa transmisji informacji dla danych eksperymentalnych (LGN). W szczególności pokazano, że kluczową rolę dla osiągnięcia wyższej efektywności i wydajności w przekazywaniu informacji odgrywa wybór odpowiednich parametrów źródła informacji oraz kanału transmisyjnego (znaleziono m. in. takie parametry).

Seminarium związane jest z planowanym wnioskiem habilitacyjnym.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Negative diffusion effects in magnetohydrodynamic turbulence induced by fluctuations of the Lorentz force

The turbulent hydro-magnetic dynamo is a process of magnetic field amplification by a chaotic flow of an electrically conducting fluid, responsible for generation of the magnetic fields of planets and stars. Here we demonstrate a curious effect of the Lorentz force, which can act to intensify the magnetic fields, counter intuitively in light of the Lenz law according to which the Lorentz force acts to retard motions and saturate the dynamo-induced magnetic field. However, the net effect of its small-scale fluctuations in a turbulent flow is far from obvious and it is shown that it can lead to amplification rather than saturation of the magnetic energy through creation of negative turbulent diffusivity.

Remarks: he seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Nowoczesne metody sterowania adaptacyjnego i rozproszonego do tlumienia drgan konstrukcji

Na przestrzeni ostatnich dziesiecioleci obserwowany jest gwaltowny wzrost skali konstrukcji inzynierskich, co jest naturalna konsekwencja globalnej urbanizacji i rosnacych potrzeb czlowieka. Wielkoskalowe konstrukcje i urzadzenia zlozone cechuje wysoka wrazliwosc na zaburzenia zewnetrzne, przez co wymagaja one szczegolnej uwagi w zakresie niezawodnej oraz bezpiecznej eksploatacji, co stale stwarza nowe wyzwania dla naukowcow zajmujacych sie systemami monitorowania i sterowania. W prezentacji przedstawie opracowane przeze mnie metody sterowania rozproszonego i adaptacyjnego przeznaczone do efektywnego tlumienia drgan mechanicznych. Metody dedykowane sa konstrukcjom aktywnym oraz polaktywnym. Podkreslona zostanie rola metod sterowania rozproszonego w zastosowaniach do konstrukcji wielkoskalowych oraz modulowych. Prezentowany material obejmie nowatorskie podejscie do rozwiazywania problemow stabilizacji i sterowania optymalnego przy zastosowaniu obliczen rownoleglych. Kazda z omawianych metod zostanie zweryfikowana przy pomocy realistycznych symulacji komputerowych lub badan eksperymentalnych. W szczegolnosci uwaga poswiecona bedzie redukcji drgan w elementach konstrukcyjnym wyposazonych w polaktywne materialy inteligentne.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Algorytmy numeryczne jako narzędzie spajające dyscypliny nauki ze szczególnym uwzględnieniem algorytmów macierzowych

W referacie na konkretnych przykładach przedstawiono ogólny trend wzrostu znaczenia metod matematyki, fizyki i informatyki w symulacji zjawisk biologicznych i przyrodniczych. Następnie przedstawiono przegląd metod syntezy tzw. algorytmów szybkiego mnożenia macierzy wraz z najbardziej znanymi ich przykładami. Omówiono, jak skorzystać z ich efektywności w innych, zarówno macierzowych jak i innego rodzaju, problemach, w szczególności matematycznych oraz informatycznych. Przedstawione algorytmy szybkiego mnożenia macierzy mają swój kres efektywności wynikający stąd, iż są one zaprojektowane dla macierzy o dowolnej postaci. Dalszy wzrost efektywności algorytmów operujących na macierzach można uzyskać poprzez syntezę specjalizowanych algorytmów dla macierzy specjalnych, o określonej postaci. Dlatego na kilku wybranych przykładach przedstawiono metody syntezy, własności oraz celowość poszukiwania, także z innych powodów niż dla ich samej efektywności, algorytmów operujących na macierzach specjalnych oraz ich zastosowania.

Remarks: The seminar will be held in hybrid form. Face-to-face talk will be delivered by the speaker in the institute aula at the third floor. (Due to the present Covid-19 regulations the audience is limited to 30 people.) The online transmission will be carried out via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Water in a changing climate

How warming affects the amount of water vapour the atmosphere can hold? How it affects the rainfall regime? How it is possible that a warming and moistening of atmosphere is producing longer spells of warm, dry weather punctuated by less frequent and more intense precipitation events for summer, spring and autumn? How changes in snow cover reduce our water resources? What evapotranspiration has to do with it?

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Geometry of diffeomorphism groups and the motion of ideal fluids

Hydrodynamics of ideal fluids is an example of an infinite dimensional Riemannian geometry where solutions of the incompressible Euler equations correspond to geodesics in the group of volume preserving diffeomorphisms equipped with a right-invariant metric defined by the fluid’s kinetic energy. This striking observation made by V. Arnold in a pioneering 1966 paper allowed for introduction of modern diff. geometric, topological and Lie theoretic techniques into fluid dynamics and the field has remained very active ever since. I will explain the basic Riemannian constructions of hydrodynamics and describe some of the results that have been obtained in recent years.

Remarks: The seminar will be held online via ZOOM program. The access will be activated under the link: https://notredame.zoom.us/j/3304034384?pwd=NGxZYnFQQ2ZiMTZNOXJyNlhIMkRvdz09 [notredame.zoom.us] password: Konrad

50+ lat Ultradźwięków w IPPT PAN

Metody i aparatura ultradźwiękowa są rozwijane w IPPT PAN od ponad 50 lat! Odnalezione materiały dokumentalne pozwoliły mi na przegląd historii tego rozwoju. Z kolei, moja perspektywa 25-lat w IPPT pozwala na spojrzenie na rozwój w XXI wieku. Jakie były początki?, gdzie jesteśmy teraz?, czy moglibyśmy osiągnąć więcej? … to są pytania, nad którymi warto się zadumać.
Te rozważania historyczne będą tłem do przedstawienia obecnie realizowanych prac B+R, a także spojrzenia w przyszłość. Planuję także, podzielić się swoimi doświadczeniami w zakresie realizacji prac B+R dla partnerów komercyjnych.
Mam nadzieję, że nasz „success story” oparty na ofercie zaawansowanych ultradźwiękowych systemów badawczych oraz realizacji badań będzie dla Państwa inspirujący.

Remarks: The seminar will be held in hybrid form. Face-to-face talk will be delivered by the speaker in the Waclaw Olszak's aula at the second floor. (Due to the present Covid-19 regulations the audience is limited to 30 people.) The online transmission will be carried out via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Case Studies in Calcium Dynamics

Oscillations and traveling waves of intracellular free calcium concentration are not only physiologically important, they also raise many challenging theoretical questions. Their study is thus an ideal opportunity for collaborations between theoreticians and experimentalists. In my talk I’ll present a brief background to the field (to show you why we should care about it at all), and then discuss a number of questions that have arisen from the study of calcium concentration oscillations. I’ll also look at some more recent modelling questions that have arisen in the study of how calcium oscillations control saliva secretion, and (if time permits) some dynamical questions that have arisen from experiments in hepatocytes.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 9:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Scalable distributed algorithms and reconfiguration schemes for modular-robotic shape-shifting systems

In the age of computerization and automation, it seems fundamentally possible to build information, computation and control into the building blocks of matter itself. The concept of such advanced programmable cyber-physical systems, capable of changing their shapes and physically interacting with their environments, is known as Programmable Matter. In my presentation, I will demonstrate an approach to realising Programmable Matter, which is based on self-reconfigurable modular robots. In particular, I will consider systems composed of a huge number of densely-packed robotic modules, capable of inter-modular communication, mutual physical interaction and changing the inter-modular connection network (the so-called reconfiguration). When duly programmed and controlled, the local interactions may result in a desired emergent effect, e.g., a change of the system’s shape. I will present number of useful scalable reconfiguration schemes and distributed reconfiguration algorithms for modular robots. Here, scalability is understood as preservation of the advantageous properties of the schemes, algorithms and whole physical systems when the number of interacting modules increases. The proposed solutions seem essential for the construction of advanced self-reconfigurable systems.

Seminar related to the planned habilitation.

Remarks: he seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Microplane Modeling of Shape Memory Alloys

Shape memory alloys (SMAs) are a class of smart materials whose inelastic deformations can be recovered under specific thermomechanical circumstances so that their original shape is regained. Martensitic transformations as well as martensite twinning and detwinning are the key phenomena underlying the extraordinary behaviors of SMAs. One of the main challenges modeling these materials under multiaxial loadings is that the so-called normality rule does not necessarily hold true as the direction of inelastic strain rate vector does not coincide with the deviatoric stress vector for nonproportional loadings. Therefore, any generalization of 1-D constitutive equations to 3-D cases based on J_2 or J_2-J_3 plasticity is valid only for proportional loadings. Microplane modeling approach is a promising candidate to overcome this challenge since 1-D constitutive models in this method are generalized to 3-D ones through a particular homogenization technique. All the material parameters can be obtained using uniaxial tension/compression tests, and these all make microplane theory an efficient approach in constitutive modeling of shape memory alloys. In this seminar, first, the basic concepts of microplane theory are reviewed. Then, a microplane model for SMAs is presented and is shown to be able to predict phase transformations, twinning and detwinning, and martensite reorientation. Several loading cases are studied, and the theoretical results are validated against experimental findings. Therefore, the proposed microplane model is proved to be a powerful approach in studying SMA components with complex geometries under complicated loadings.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Nanoarchitectures for Bioelectronics

We discuss a nanoscale platform with technical utility in nanophotonics, photovoltaics, and bioelectronic sensing. As subwavelength optical waveguides, these structures can be used in a range of nanoscale manipulations of light, including optical nanoscopy and lithography, high efficiency solar cells, and discrete optical metamedia. A modification of the basic structure enables the fabrication of highly sensitive bioelectronic sensors and high resolution molecular probes, including optoelectronic microelectrode arrays (MEAs). We will report on bioelectronic aspects of these applications, including chemical, electrochemical and neuro sensing.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:  https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Length Dependent Folding Kinetics of Alanine-based Helical Peptides from Optimal Dimensionality Reduction

We present a computer simulation study of helix folding in alanine homopeptides (ALA-n of length n=5, 8, 15, and 21 residues. Based on multi-microsecond molecular dynamics simulations at room temperature, we find helix populations and relaxation times increasing from about 6% and ~2 ns for ALA5 to about 60% and ~500 ns for ALA21, and folding free energies decreasing linearly with the increasing number of residues. Helix folding is analyzed with the Optimal Dimensionality Reduction method, yielding coarse-grained kinetic models that provide a detailed representation of the folding process. Shorter peptides, ALA5 and ALA8, tend to convert directly from coil to helix, while ALA15 and ALA21 travel through several intermediates. Coarse-grained aggregate states representing the helix, coil, and intermediates are heterogeneous, encompassing multiple peptide conformations. Folding involves multiple pathways. Interesting intermediate states are present on the folding paths, with partially formed helices, turns, and compact coils. Statistically, helix initiation is favored at both termini, and the helix is most stable in the central region. Importantly, we found the presence of underlying universal local dynamics in helical peptides with correlated transitions for neighboring hydrogen bonds. Overall, the structural and dynamical parameters extracted from the trajectories are in good agreement with experimental observables, providing microscopic insights into the complex helix folding kinetics [1].

[1] K. Kuczera, R. Szoszkiewicz, J. He and G.S. Jas. Length Dependent Folding Kinetics of Alanine-based Peptides from Optimal Dimensionality Reduction. Life 2021, 11,385 (doi.org/10.3390/ life11050385)

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Challenges and Pitfalls in Optimizing Cancer Therapies: An Optimal Control Approach

In the talk we will go over some challenges one faces in the application of tools of geometric optimal controls to problems of optimizing cancer therapies. One of them is the choice of the objective whose main goal should be to properly represent the medical goal of the treatment. A common pitfall among researchers is putting simple and manageable mathematics ahead of this goal which leads to various conceptual errors. Another challenge is the construction of the full synthesis of solutions which is seldomly done and numerical simulations based on the particular choice of the parameters (to which the solutions are often quite sensitive) are being claimed to be optimal. Another problem faced is that the Maximum Principle only provides necessary conditions for optimality and to claim optimality some kind of sufficiency argument has to be provided. Additional challenges arise when we want to model combination therapies which lead to multi-input optimal control problems when not only the dosage needs to be determined, but also the sequencing, quite relevant for the overall effectiveness. Finally, we will close with some comments about realizability of the theoretically optimal protocols and what really the pharmaceutical industry expects from mathematicians working in this field.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 14:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Periodic Sound Absorbers Made Using Additive Manufacturing Technologies: Results of Round Robin and Adaptive Absorber Studies

The purpose of this lecture is to share experiences and conclusions on the use of additive manufacturing (AM) for prototyping carefully designed periodic materials and composites for acoustic insulation. The outline of the presentation is as follows. In the introduction, the principles underlying the most popular AM technologies will be briefly discussed. Then, the results of the inter-laboratory test on reproducibility of sound- absorbing periodic porous materials made using different AM technologies and devices will be presented. The last part of the lecture will be devoted to a composite absorber with a periodic microstructure adaptable to different anticipated noise conditions, manufactured with the use of fused filament fabrication, i.e. budget and the most common AM technology.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Relative Trajectories of Pairs of Charged Particles Sedimenting Under Gravity in a Stokes Flow

It is shown that the dynamics of charged particles settling in a viscous fluid are qualitatively distinct from the behavior of settling particles without charge. For uncharged pairs of settling particles even if stationary relative positions exist they are at best neutrally stable. These stationary relative positions always have particle centers in line with or orthogonal to gravity. Further, the set of initial conditions which give rise to orbits such that uncharged particles do not separate over time is small. Charged particles sedimenting under gravity in a Stokes flow can have stable stationary relative positions. It will be seen that the particle centers at these stable doublets can be in line with the direction of gravity or inclined. Necessary and sufficient conditions for the existence of stable doublets to exist are given in both cases. The basin of attraction of the stable stationary state will be shown to be infinite in measure. This holds even if the charge is relatively small. Examples are given when the basin of attraction is large in cross section compared with the sum of particle radii. The physical parameters of the system - such as the ratio of reduced radii, density, characteristic electrostatic to characteristic gravitational forces, and ratio of Stokes velocities - are explored to find bounds for stable and non-overlapping doublets in parameter space. It is shown that, for a stable stationary state to exist, the particles must have different radii and charges of opposite sign. When the particle centers are aligned with gravity there are examples where the isolated larger particle could have greater or lower Stokes velocity than the smaller one, but inclined particle centers can only form a doublet if the isolated larger particle would sediment faster than the smaller particle.

Remarks: he seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Chaos for quasilinear parabolic equations of second order, reaction-diffusion systems and Navier-Stokes

We consider rigorious analytical resuts on chaos existence for quasilinear parabolic equations of second order, reaction-diffusion systems and weakly compressible Navier-Stokes equations (Oberbeck-Boussinesq approximation). These results are obtained by a bifurcation approach, so-called realization of vector field methods. They show that many dissipative systems are capable to generate all kinds of structurally stable dynamics including chaotic ones (such as Anosov flows, Smale horseshoes etc). We also consider applications to morphogenesis.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

3D Printing of High-Performance Composites

High-performance continuous fiber reinforced composites (CFRC), including here both classes of polymer matrix composites (PMC) and ceramic matrix composites (CMC), are at increasing demand in key industry sectors (e.g., aerospace, automotive). This is due to modern lightweight design strategy which triggers reduced structural weight while preserving the high mechanics performances; reduced fuel consumption and consequent reduced NOx emission; and increased design flexibility compared to traditional isotropic materials.
On the other side, digital additive manufacturing (AM, commonly referred to as 3D printing) has also emerged as a relatively new and booming technological concept. A method of extreme interest for further development and innovation due to its potential to bring complete modification of the production chain; with no need for complex tooling and reduced need for auxiliary manufacturing systems, which translates into less associated costs, more efficient resources usage, and positive environment impact; technology adapted to low production rates, at yet competitive costs; offering the possibility to produce complex assemblies with fewer parts and fewer joining elements; in a more flexible manner, being able to rapidly apply changes to the design, meeting thus the needs of a more and more dynamic market; resulting in almost zero manufacturing waste; advanced human-machine interaction in a compact and predominantly automated and computer controlled environment for integrated design and manufacturing; which make this new manufacturing technology have a direct track to the market and to industrial applications.
On this background, the research proposed here aims to bring together the aforementioned modern technological concepts, namely the high-performance lightweight CFRC (including both PMC and CMC) and the AM as the manufacturing method for the composite parts. To develop new materials and technologies for the AM of high-performance CFRC parts operating under severe thermo-mechanical loading conditions. To provide thus the frame (build the know-how, develop the technology, assess properties and performances, investigate applicability and limitations) which would open the door towards using the 3D printed CFRC composites as an alternative to CFRC manufactured through classical methods.
An interdisciplinary approach needs to be deployed in order to achieve the aforementioned objective. The research covers emerging topics in materials research and innovation and related production technologies. Both areas of advanced materials and advanced production have been classified as Key Enabling Technologies at the level of EU research strategy. The long term economic impact of the research is expected at the levels of technology development and production of the value chain, deploying the inherent advantages of the digital AM. New products (composite 3D printers) together with the feedstock materials can be advanced to the market. This implies increased capacity of the relevant industry sectors which will use the newly developed products and technologies, more flexible and dynamic production, and more efficient usage of resources.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

The role of secondary structure in the adsorption of viral RNA fragments on charged surfaces

The structure of many RNA viruses consists primarily of the genetic material enclosed in a protein shell denominated the capsid, composed of a set of geometrically matching oligomers. However, more specific aspects regarding the precise structure inside the shell, as well as the role that the RNA-RNA and RNA-capsid interactions play in the virus stability and assembly process, remain to be understood. X-ray diffraction and cryo-EM experiments have given insight into the capsid geometry and provided a global picture of the spatial distribution of the genome, which can range from a disordered globule to a more structured coil in different viruses. Independently, theoretical approaches have pointed out the importance of the RNA secondary structure (the complementary base pairs encoded in the sequence) in the geometry of the encapsidated RNA. In order to elucidate the role of the internal RNA structure in the RNA-capsid interaction from a more detailed, three-dimensional perspective, we have studied the adsorption properties of a set of representative  fragments of the Satellite Tobacco Mosaic Virus (STMV) over a flat attractive surface by means of coarse-grained Monte Carlo simulations. Under this approach, it is possible to add or remove secondary structure restraints, and compare the adsorption efficiency of structured and unstructured versions of the same model fragments. The analysis of the adsorption free energy profiles leads to the identification of two well-distinguished adsorption regimes, which can be rationalized with the help of analytical results obtained from the polymer theory of ideal chains. Along the same lines, we propose a methodology for designing three-dimensional decoy models of large RNA molecules from the sole knowledge of their sequence and secondary structure, which we have employed in the generation of nucleotide-resolution models of the whole STMV genome.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 2:40 pm under the link:      https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Self-diffusion coefficients of non-rigid macromolecules

For macromolecules, the value of the short-time diffusion coefficient depends on the choice of the point the displacement of which is tracked. On the other hand, the experimentally more relevant long-time diffusion coefficient is independent of the reference point, but its estimation usually requires computationally expensive Brownian dynamics simulations. Here we show how to obtain a precise estimate of the long-time diffusion coefficient for non-rigid macromolecules in a fast and robust manner, without invoking Brownian dynamics.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/810943621 [global.gotomeeting.com]

Understanding infection biology at the single cell level

Activation of immune responses is inherently a heterogenous process, resulting in probabilistic outcomes of the host-pathogen interactions at the single cell level. This poses a fundamental systems immunology question: How do robust immune responses emerge from heterogeneous, apparently random, single cell behaviour? To understand the regulation of antibacterial innate immune responses we use mathematical modelling and single cell biology approaches including microscopy and genomics. In this talk I will discuss recent analyses from the lab which demonstrate how the response variability is controlled in the toll-like-receptor system and how it contributes to the infection outcomes of Listeria monocytogenes, an important food-borne bacterial pathogen of man.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:     https://global.gotomeeting.com/join/810943621 [global.gotomeeting.com]

Contemporary Climate Change – where are we going?

State-of-the-art of contemporary climate. Heat waves in 21st century in Europe. Changes in the precipitation regime due to warmer atmosphere and oceans. What we are already observing and what the near future can bring.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:     https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Martensitic transformation behaviour in pseudoelastic NiTi shape memory alloys

The evolution pattern of the stress-induced martensitic transformation in pseudoelastic NiTi shape memory alloys varies depending on the loading and geometry. For instance, in NiTi strips under uniaxial tension and in isothermal conditions, the transformation typically initiates by a deformation instability (shear band) and advances by propagating planar interfaces. More complex transformation patterns have been observed in the experiments of NiTi tubes under uniaxial tension, bending or combined loading conditions.

The focus of the present talk will be on modeling the propagating instabilities in pseudoelastic NiTi tubes under combined tension--torsion loading conditions. A detailed study regarding the associated apparent transformation yield locus is also presented. Moreover, a glance of our very recent results regarding the importance and the effect of the dissipation associated with the reorientation of martensite is provided.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link:     https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Neurodegenerative diseases: nice collaboration stories between biologists and mathematician leading to a better understanding of prion and Alzheimer’s disease

Through the past two decades, a great collaboration started between biologist and mathematicians to understand the complex dynamics of neurodegenerative diseases. During this presentation, we will dive into a short overview of the prion and Alzheimer’s disease and show how mathematics have been helping to bring light to some unexplained observations.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Flutter, Hopf bifurcation and Ziegler paradox for elastic structures subject to non-holonomic constraints

Flutter, divergence instabilities and Hopf bifurcations may occur in elastic structures subject to nonconservative loads such as follower forces and forces acting on a fixed line. This was theoretically shown by Ziegler (1956), Beck (1952), Reut (1939), among many others (see the review by Elishakoff, 2005). However, the practical realization of these nonconservative forces was considered extremely difficult and often declared impossible. Koiter (1996) wrote a very direct statement on this point and proposed the “elimination of the abstraction of follower forces as external loads from the physical and engineering literature on elastic stability” and concluded with the sentence “beware of unrealistic follower forces”.
It will be shown in the talk, both theoretically and experimentally, how to obtain follower forces of the Ziegler type and related instabilities by exploiting Coulomb friction, a result which sheds light on the interplay between friction and instability (Bigoni and Noselli, 2011). The destabilizing effect of dissipation and the related “Ziegler paradox” will be given an experimental proof (Bigoni et al. 2018). We will introduce forces acting on a fixed line and explain how these can be realized to demonstrate instabilities (Bigoni and Misseroni, 2020). It will finally be shown that flutter and divergence instabilities (including Hopf bifurcation and destabilizing effects connected to dissipation phenomena) can be obtained in structural systems loaded by conservative forces, as a consequence of the application of non-holonomic constraints. These constraints can be realized through a “perfect skate” (or a non-sliding wheel), or, more in general, through the slipless contact between two circular rigid cylinders, one of which is free of rotating about its axis. The motion of the structure produced by these dynamic instabilities may reach a limit cycle, a feature that can be exploited for soft robotics applications, especially for the realization of limbless locomotion (Cazzolli et al. 2020).

References
Beck, M. (1952) Die Knicklast des einseitig eingespannten, tang. gedruckten. Stabes. Z. Angew. Math. Phys. 3, 225.
Bigoni, D., Kirillov, O., Misseroni, D., Noselli, G.Tommasini, M. (2018) Flutter and divergence instability in the Pfluger column: Experimental evidence of the Ziegler destabilization paradox. J. Mech. Phys. Solids 116, 99-116.
Bigoni, D., Misseroni, D. (2020) Structures loaded with a force acting along a fixed straight line, or the "Reut's column problem". J. Mech. Phys. Solids 134, 103741.
Bigoni, D., Noselli, G. (2011) Experimental evidence of flutter and divergence instabilities induced by dry friction. J. Mech. Phys. Solids 59, 2208-2226.
Cazzolli, A., Dal Corso, F., Bigoni, D. (2020) Non-holonomic constraints inducing flutter instability in structures under conservative loadings. J. Mech. Phys. Solids 138, 103919.
Elishakoff, I. (2005) Controversy associated with the so-called follower force. Appl. Mech. Rev. 58, 117.
Koiter, W.T. (1996) Unrealistic follower forces. J. Sound Vib. 194, 636-638.
Reut, V.I. (1939) About the Theory of Elastic Stability. Proc. Odessa Institute of Civil and Communal Engineering No. 1.
Ziegler, H. (1956) On the concept of elastic stability. Adv. Appl. Mech. 4, 351-403.

BIO:

Davide Bigoni is a mechanician working in solid and structural mechanics and material modeling, wave propagation, fracture mechanics. His approach to research is the employment of a broad vision of mechanics, with a combination of mathematical modelling, numerical simulation, and experimental validation. From 2001 Davide Bigoni holds a professor position at the University of Trento, where he is leading a group of excellent researchers in the field of Solid and Structural Mechanics. He has authored or co-authored more than 150 journal papers and has published a book on nonlinear Solid Mechanics. He was elected in 2009 Euromech Fellow (of the European Mechanics Society), has received in 2012 the Ceramic Technology Transfer Day Award (of the ACIMAC and ISTEC-CNR), in 2014 the Doctor Honoris Causa degree at the Ovidius University of Constanta and in 2016 the Panetti and Ferrari Award for Applied Mechanics (from Accademia delle Scienze di Torino). He has been awarded an ERC advanced grant in 2013. He has been guest lecturer for the Midwest Mechanics Seminars in 2018, he is fellow of the Accademia di Scienze e Lettere of Milan from 2019. An anniversary issue of the Journal of the Mechanics and Physics of Solids has been dedicated to him in 2020. He is co-editor of the Journal of Mechanics of Materials and Structures and associate Editor of Mechanics Research Communications and in the editorial board of 8 international journals.

(; https://bigoni.dicam.unitn.it/)

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

STABILITY OF SARS-CoV-2 SPIKE (S) PROTEIN THROUGH A MULTISCALE APPROACH

The multiscale character of the virus entry into cells spans different length and time scales (e.g. cellular recognition, transition from pre-fusion to post-fusion states, endocytosis, release of the viral RNA, replication, virus assembly and budding) requires large computational facilities and new methodologies. Here, we present a characterization of the conformational space of the SARS-CoV-2 spike (S) protein aided by all-atom molecular dynamics simulation and a coarse grained approach for calculation of the most relevant interactions. The S protein mediates the SARS-CoV-2 entry into cells. This protein possesses a receptor-binding domain (RBD) that binds to surface cell receptor (angiotensin-converting enzyme 2—ACE2) and then triggers the fusion of viral and host cell membranes. Our studies highlight the nanomechanical stability of the RBD protein [1]. In this regard, we aims to answer: i) is SARS-CoV-2 S protein more stable than SARS (2002-2003) and what are its biological consequenes? and ii) what is the trigger of the transition from closed/inactive to open/active conformations? Also, we discuss the energetic difference of S protein conformations via the mapping of the hydration free energy by the Poisson-Boltzmann method [2]. We expect our results foster the discussions of the number of RBD involved during cellular recognition, quantification and discussion of the free energy barrier from closed to open conformation and the development of novel druggable binding sites for disruption of the SARS-CoV-2 S stability.

[1] Moreira R.A & Poma A.B., Nanoscale, 2020, 12, 16409–16413.
[2] Moreira R.A & Poma A.B., Materials, 2020, 13, (23), 5362.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Lattice-Based Multi-Cellular Virtual-Tissue Computer Simulations of Infection, Development and Disease Using CompuCell3D

The difficulty of predicting the emergent development, homeostasis and disfunction of tissues from cells’ molecular signatures limits our ability to integrate molecular and genetic information to make meaningful predictions at the organ or organism level or to design living engineered systems. Virtual Tissues are an approach to constructing quantitative, predictive mechanistic models starting from cell behaviors and combining subcellular molecular kinetics models, the physical and mechanical behaviors of cells and the longer range effects of the extracellular environment. For the past 15 years, we have been developing Virtual-Tissue tools (CompuCell3D, www.compucell3d.org) to bridge the gap between molecule and physiological outcome. I will illustrate these approaches in: 1) the pattern of viral replication, spread and cellular immune response in epithelial tissue, 2) the development of blood vessels and its effect on Choroidal Neovascularization (CNV) in Age-Related Macular Degeneration (the most common cause of blindness among the elderly) and in Diabetic Retinopathy, 3) the disorganization of normal tubular structure which occurs in Polycystic Kidney Disease, which leads to overgrowth and eventual kidney failure, and 4) toxin-induced damage in the liver.

Dr. Glazier received his B.A. in Physics and Mathematics from Harvard University and his M.S. and Ph.D. in Physics from the University of Chicago. His research focuses on experimental and computational approaches to pattern formation in embryology. He has held faculty appointments at the University of Notre Dame and Indiana University, Bloomington, where he is founding director of the Biocomplexity Institute, Professor of Intelligent Systems Engineering and Adjunct Professor of Physics, Informatics and Biology.

Link to the presentation: https://drive.google.com/file/d/1rHRjmAi8xss3vRyriMKwCSAs92RnnUU_/view?usp=sharing

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 14:40 (2:40 pm) under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

How nature speaks about imminent catastrophic failure - the DEM analysis

It has recently been reported that the equal load sharing fiber bundle model redicts the rate of change of the elastic energy stored in the bundle reaches its maximum before catastrophic failure occurs, making it a possible predictor for imminent collapse. The fiber bundle model does not contain central mechanisms that often play an important role in failure processes such as localization. Thus, there is an obvious question whether a similar phenomenon is observed in more realistic systems.
We address this question using the discrete element method to simulate breaking of a thin tissue subjected to a stretching load. Our simulations confirm that for a class of virtual materials which respond to stretching with a well-pronounced peak in force, its derivative and elastic energy we always observe an existence of the maximum of the elastic energy change rate prior to maximum loading force.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Diffuse-interface modelling of transformation patterns in shape-memory alloys

Functional properties of shape-memory alloys (SMAs, notably the shape-memory effect and pseudoelasticity, result from the reversible martensitic phase transformation which is the main mechanism of inelastic deformation in those materials. At the micro-scale, the transformation proceeds through formation and evolution of complex martensitic microstructures. At the macro-scale, the overall response of polycrystalline SMAs often exhibits softening, which leads to strain localization and inhomogeneous transformation in the form of Lüders-like bands or more complex transformation patterns, for instance, multi-prong interfaces observed in NiTi tubes under tension. Evolution of microstructure at the micro-scale and formation of transformation patterns at the macro-scale are both accompanied by nucleation, propagation and annihilation of interfaces. Spatially-resolved modelling of the corresponding phenomena can be efficiently carried out using the diffuse-interface approach. In this talk, our recent related results will be summarized. The phase-field method has been applied to model the martensitic microstructures at the micro-scale with the focus on size effects, rate-independent dissipation, and microstructure evolution during nano-indentation. In order to model strain localization and transformation patterning in polycrystalline NiTi, a macroscopic model of SMA employing a gradient enhancement has been developed along with a micromorphic-like regularization that facilitates the finite-element implementation. Finite-element simulations of representative 3D problems illustrate that the model correctly represents the loading-rate effects and complex transformation patterns in NiTi tube under tension.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

The Elastic-ViscoPlastic Self-Consistent Model. Application to electrodeposited copper

During the seminar I would like to present the results obtained using the recent implementation of the elastic-viscoplastic self-consistent code. As I expect the audience to have various backgrounds I will try to do my best in order to briefly explain the crystal plasticity theory in the simplest possible way in the beginning of the talk. The implementation of the new elastic-viscoplastic self-consistent scheme for polycrystalline materials was presented in a recent paper [1]. The core of the model is the tangent additive interaction law proposed in [2]. The goal of the present work was to identify and model the elastic-viscoplastic behavior of electrodeposited copper films under tension-compression loadings. From the experimental point of view, as proposed in the literature, a film of copper was electrodeposited on both sides of an elastic compliant substrate. The overall specimen was next subjected to tensile loading-unloadings. As the substrate remained elastic, the elastic-plastic response of copper under cyclic loading was determined experimentally. A clear kinematic hardening behavior was captured. The behavior of the single grain is rate dependent where kinematic hardening is accounted for in the model at the level of the slip system. The model parameters were optimized via an evolutionary algorithm by comparing the predictions to the experimental cyclic response. As a result, the overall response was predicted. In addition, the heterogeneity in plastic strain activity was estimated by the model during cyclic loading. The results were obtained in close collaboration with LEM3 in Metz, France.

[1] Girard G., Frydrych K., Kowalczyk-Gajewska K., Martiny M., Mercier S., Cyclic response of electrodeposited copper films. Experiments and elastic-viscoplastic mean-field modeling, Mechanics of Materials, 2021
[2] Molinari, A., Averaging models for heterogeneous viscoplastic and elastic viscoplastic materials. Journal of Engineering Materials and Technology, 2002

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Reorientation motions of N-acetyl-tryptophan-amide (NATA dipeptide) in aqueous solution and with co-solvents: molecular dynamics vs hydrodynamic model

Molecular Dynamics (MD) is usually applied to compute translational and rotational diffusion coefficients and the corresponding rotational correlation time for peptides, such as N-acetyl-tryptophanamide (NATA). Besides viscosity effects, specific solute-solvent interactions are present and a continuous change of the shape of NATA molecule is observed. MD approach allows simplification of this process segregating the whole dynamics into very limited number of conformers with corresponding time population and therefore, allowing extraction of Brownian dynamics for a particular conformer from MD. Now, knowing the structure of a particular conformer, we propose to study self-diffusion using hydrodynamic bead model, where each atom is represented by a  separate bead. Such analysis adds to a better understanding of a  fluid-molecule interaction.
In this talk, I will present comparison of experimental and computational (MD and hydrodynamic bead model) studies of reorientational motions of NATA in water, urea, GdmCl and proline. It was found that the hydrodynamic results were in very good agreement with MD simulations for the individual structures, showing that the hydrodynamic bead model provides a realistic description of rotational diffusion for rigid peptide structures. Overall, our study generated new microscopic insights into the complex nature of the structure and dynamics of peptide solvation shells for systems containing water and denaturing and stabilizing co-solvents.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Time Reversal - an efficient way of data analysis

Building knowledge on surrounding world requires information about it. This almost trivial statement gains a much deeper sense in cases when we cannot infer thought information by direct measurements. Such situations happen quite often, actually too often. In such a cases we can still gain (at least partially) thought information from observational data but it requires a more complex approach often referred to as ``inverse approach’’. The basic idea of the method is to deduce values of unknown parameters from additional ``supplementary’’ measurements knowing a relation between measured and estimated parameters. The approach is very well developed for cases when finite (even very large) number of parameters are estimated. The problem arises if the thought parameters is a function of independent parameter (for example time) rather than a set of discrete parameter. The naive approach of replacing the thought function by a finite set of parameters by discretizing it is not very efficient and pron to various limitations.
In this talk I will present the modern inverse method of dealing with such a special cases called Time Reversal Mirroring (TRM).
From the physical point of view the method is based on two basic symmetries of underlying equation(s): time reversal and source-receiver reciprocity. They allow to construct an extremely efficient numerical algorithm for analyzes of complex time series data in searching for ``hidden’’ information about waves source and/or medium properties. My talk will begin with basic introduction mathematical principle upon which the TRM method is build up. Next I will give a short overview of idea of ``inverse problems’’ and how TRM fits to this framework.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941

A Mathematical Framework for Modelling the Metastatic Spread of Cancer

Invasion and metastasis are two of the hallmarks of cancer and are intimately connected processes. Invasion, as the name suggests, involves cancer cells spreading out from the main cancerous mass into the surrounding tissue, through production and secretion of matrix degrading enzymes. Metastatic spread is the process whereby invasive cancer cells enter nearby blood vessels (or lymph vessels), are carried around the body in the main circulatory system and then succeed in escaping from the circulatory system at distant secondary sites where the growth of the cancer starts again. It is this metastatic spread that is responsible for around 90% of deaths from cancer. To shed light on the metastatic process, we present a mathematical modelling framework that captures for the first time the interconnected processes of invasion and metastatic spread of individual cancer cells in a spatially explicit manner—a multigrid, hybrid, individual-based approach. This framework accounts for the spatiotemporal evolution of mesenchymal- and epithelial-like cancer cells, membrane-type-1 matrix metalloproteinase (MT1-MMP) and the diffusible matrix metalloproteinase-2 (MMP-2), and for their interactions with the extracellular matrix. Using computational simulations, we demonstrate that our model captures all the key steps of the invasion-metastasis cascade, i.e. invasion by both heterogeneous cancer cell clusters and by single mesenchymal-like cancer cells; intravasation of these clusters and single cells both via active mechanisms mediated by matrix-degrading enzymes (MDEs) and via passive shedding; circulation of cancer cell clusters and single cancer cells in the vasculature with the associated risk of cell death and disaggregation of clusters; extravasation of clusters and single cells; and metastatic growth at distant secondary sites in the body.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

3D printable conductive interpenetrating hydrogel for neural tissue engineering

Intrinsically conducting polymers (ICP) have been widely used to fabricate biomaterials, however their application in neural tissue engineering is severely limited because of their hydrophobicity and insufficient mechanical properties. For these reasons, soft conductive polymer hydrogels (CPHs) have been recently developed resulting in water-based system with tissue-like mechanical features, outstanding adhesion, biological and electrical properties.
The strategy of incorporating ICPs as a conductive component into CPHs has been recently explored by synthesizing the hydrogel around ICP chains, forming an interpenetrating polymer network (IPN). Compared with other CPHs, IPNs exhibit high chemical and mechanical stability with outstanding biocompatibility, electrical and electrochemical properties thanks to the efficient integration of ICPs into the hydrogel matrix. However, the fabrication of conductive IPN possesses some major difficulties and challenges related to ICP hydrophobicity.
In light of this, in this seminar, the design and synthesis of a novel conductive IPN hydrogel will be presented. The hybrid hydrogel is based on a poly(N-isopropylacrylamide-co-N-isopropylmethacrylamide) (P(NIPAm-co-NIPMAm)) hydrogel where polythiophene is introduced as ICP in order to provide sufficient electrical properties to the system. To allow the fabrication of the hybrid hydrogel in an aqueous medium, ICP monomers are modified and synthesized to ensure the water-solubility. Morphological, chemical, thermal, electrical, electrochemical and mechanical properties of the IPN will be reported and the effect of the different ICP concentration addition will be discussed. Additionally, biological response of neural progenitor cells and mesenchymal stem cells in contact with the conductive IPN will be described in terms of proliferation and neural differentiation. Finally, the possibility to use the hydrogel solution as a printable ink to fabricate 3D biomaterials with desirable morphological and handling properties will be presented. Taking into account all data, the potential of the proposed IPN as a platform for neural tissue engineering will be highlighted.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Modelling collective cell movement in biology and medicine

Abstract: Collective cell movement occurs throughout biology and medicine and there are many common features shared across different areas. I will review work we have carried out over the past few years on:
(i) systematically deriving a PDE model for tumour angiogenesis from a discrete formulation and comparing this model with the classical, phenomenological snail-trail model;
(ii) agent-based models for cranial neural crest cell migration in a collaboration with experimental biologists that has revealed a number of new biological insights.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link: https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Fast light Alloys Stamping Technology (FAST) for two-phase titanium alloys

Hot stamping technology requires a precisely controlled processing window to successfully form components from titanium alloys [1]. Forming near the beta phase transus temperatures, leads to the formability reduction due to phase transformation, grain coarsening and oxidation during the long time heating. Therefore, Fast light Alloys Stamping Technology (FAST) was proposed, to form full scale part (wing stiffener) made of Ti6Al4V titanium alloy. The effects of heating parameters on the formability and post-form strength of the material were studied through uniaxial tensile tests using varying heating rates and temperatures. Subsequently, the evolution mechanisms of elongation and post-form strength were studied using scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. It was revealed that under FAST conditions, the phase transformation, grain coarsening and oxidation of the material could be greatly reduced due to the extremely short processing time. A complex shaped wing stiffener panel component was successfully formed using TC4 titanium alloy, demonstrating the great potential of FAST in forming complex shaped titanium alloy components [2].

References
1. Kopeć M., Wang K., Politis D.J., Wang Y., Wang L., Lin J., Formability and microstructure evolution mechanisms of Ti6Al4V alloy during a novel hot stamping process, Mater. Sci. Eng. A, 719, 72-81 (2018). doi:10.1016/j.msea.2018.02.038
2. Wang K., Kopeć M., Chang S., Qu B., Liu J., Politis D.J., Wang L., Liu G., Enhanced formability and forming efficiency for two-phase titanium alloys by Fast light Alloys Stamping Technology (FAST), Mater. Des. 194, (2020). doi:10.1016/j.matdes.2020.108948

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Uncertainty in Experimental Data Analysis

Astronomical observations, unusual medical cases, physics experiments too costly to repeat, natural events like earthquakes, hurricanes – all of them are impossible to repeat yet produce important scientific information not achievable in other way. This data should not be treated as qualitative, anecdotal evidence only. It should be analyzed in a mathematically rigorous way to produce quantitative experimental data. Analysis method for one-of-a-kind event data differs from analysis of a repeated experiment data. For a repeated experiments the experimental error includes a range of true values generated by repetitions of the experiment, and measurement uncertainty caused by detectors. They are independent. Repetitions of any experiment, as similar as achievable, always have built-in differences resulting in a range of the true values rather than in a single true experimental value. Measurement uncertainty depends on the measurement system only. Modern digital measurements have very small uncertainty, frequently smaller than the range of true experimental values resulting from built-in differences in the experiment repetitions. When data from one-of-a-kind experiment are analyzed, only the measurement uncertainty can be reported.

Bibliographical note:
Hanna Makaruk received MS in Physics from Warsaw University, and PhD with distinction under advisor Prof Jan. J. Sławianowski, from IPPT PAN (1994). After PhD she worked at IPPT as adiunkt. In 1996 she received two years Director Funded Postdoctoral Fellowship at Los Alamos National Laboratory (LANL), and in 1998 a Postdoctoral Fellowship from Center for Nonlinear Studies at LANL. In 1999 she became a LANL technical staff member (scientist), and from this time continues to work at LANL, currently as a scientist 4, at Physics Division. She worked on a rather diversified portfolio of research projects. During the last decade she focused on analyzing historical experimental data from one-of-a-kind underground nuclear events. This experience, together with background in theoretical physics allowed her to develop a formalism for data uncertainty quantification from one-of-a-kind events.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 15:40 under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Akustyka przestrzeni zamkniętych o regularnym i złożonym kształcie: opis teoretyczny i symulacje komputerowe

W zakresie małych częstotliwości mody akustyczne mają duży wpływ na pole dźwiękowe w przestrzeniach zamkniętych, ponieważ ich wzbudzenie skutkuje nieregularnością rozkładu ciśnienia akustycznego oraz deformacją odpowiedzi częstotliwościowej, zaś w warunkach pogłosowych prowadzi do nieliniowości krzywej zaniku dźwięku. Do modelowania akustyki przestrzeni zamkniętych wykorzystano teorię falową bazującą na dekompozycji modalnej, w której kluczowe znaczenie ma wyprowadzona formuła na odpowiedź impulsową dla przestrzeni zamkniętej o dowolnym kształcie. W oparciu o stworzonym model teoretyczny przeanalizowano takie zagadnienia akustyczne jak: wpływ kształtu przestrzeni zamkniętej na częstotliwość modów własnych, efekt lokalizacji modów oraz zjawisko degeneracji modów. Zbadano też wpływ modyfikacji parametrów dźwiękochłonnych powierzchni brzegowych na nieliniowość zaniku poziomu ciśnienia akustycznego oraz rozkład przestrzenny składowej aktywnej i reaktywnej wektora natężenia dźwięku. Dla pomieszczenia prostopadłościennego o ścianach pokrytych materiałem dźwiękochłonnym o zespolonej impedancji przeprowadzono natomiast symulacje odpowiedzi częstotliwościowej i porównano ich wyniki z rezultatami obliczeń uzyskanymi metodą elementów skończonych.

The seminar will be presented in Polish.

In the low-frequency range, acoustic modes have a large impact on the sound field in enclosed spaces because their excitation results in an irregular sound pressure distribution and a deformation of the frequency response. Moreover, under reverberation conditions it leads to non-linearity of the sound decay curve. To model the acoustics of enclosed spaces, the wave theory based on modal decomposition was used in which the derived formula for the impulse response for an enclosed space of any shape is of key importance. Based on the proposed theoretical model, the following acoustic issues were analyzed: the influence of a shape of enclosed space on a modal frequency, the localization of modes and the phenomenon of mode degeneration. The influence of sound-absorbing properties of wall material on the non-linear decay of sound pressure level and spatial distributions of active and reactive components of the sound intensity vector were also investigated. For a rectangular room with walls covered with sound-absorbing material of complex impedance, simulations of the frequency response were carried out, and their results were compared with calculation results obtained by the finite element method.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 am under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Multi-scale study of deformation and contraction of blood clots

Thromboembolism, one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide, is characterized by formation of obstructive intravascular clots (thrombi) and their mechanical breakage (embolization). A novel two-dimensional multi-phase computational model will be described that simulates active interactions between the main components of the clot, including platelets and fibrin. It can be used for studying the impact of various physiologically relevant blood shear flow conditions on deformation and embolization of a partially obstructive clot with variable permeability. Simulations provide new insights into mechanisms underlying clot stability and embolization that cannot be studied experimentally at this time. In particular, multi-phase model simulations, calibrated using experimental intravital imaging of an established arteriolar clot, show that flow-induced changes in size, shape and internal structure of the clot are largely determined by two shear-dependent mechanisms: reversible attachment of platelets to the exterior of the clot and removal of large clot pieces [1]. Model simulations also predict that blood clots with higher permeability are more prone to embolization with enhanced disintegration under increasing shear rate. In contrast, less permeable clots are more resistant to rupture due to shear rate dependent clot stiffening originating from enhanced platelet adhesion and aggregation. Role of platelets-fibrin network mechanical interactions in determining shape of a clot and clot contraction will be also discussed and quantified using analysis of experimental data [2,3]. These results can be used in future to predict risk of thromboembolism based on the patient specific data about composition, permeability and deformability of a clot formed from patients blood in a microfluidic device under specific local hemodynamic conditions.
1. Xu S, Xu Z, Kim OV, Litvinov RI, Weisel JW, Alber M. Model predictions of deformation, embolization and permeability of partially obstructive blood clots under variable shear flow. J. R. Soc. Interface 14 (2017) 20170441.
2. Oleg V. Kim, Rustem I. Litvinov, Mark S. Alber & John W. Weisel, Quantitative structural mechanobiology of platelet driven blood clot contraction, Nature Communications 8 (2017) 1274.
3. Samuel Britton, Oleg Kim, Francesco Pancaldi, Zhiliang Xu, Rustem I. Litvinov, John W.Weisel, Mark Alber [2019], Contribution of nascent cohesive fiber-fiber interactions to the non-linear elasticity of fibrin networks under tensile load, Acta Biomaterialia 94 (2019) 514-523.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 16:40 p.m. under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Machine learning methods in ultrasound based computer-aided diagnosis systems

Machine learning methods are gaining momentum in medical image analysis. During the talk I will give a short introduction to deep learning methods and their applications in ultrasound imaging and diagnostics. I will discuss interesting research problems investigated at the Department of Ultrasound of the Institute of Fundamental Technological Research, including topics related to segmentation and classification of ultrasound images.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 a.m. under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Modelling the relationship between Antibody-Dependent Enhancement and disease severity in dengue infection

Sequential infections with different dengue serotypes (DENV-1,-4) significantly increase the risk of a severe disease outcome (Dengue Hemorrhagic Fever (DHF) and Dengue Shock Syndrome (DSS)). A hypothesis has been proposed to explain the severity of dengue disease is Antibody-Dependent Enhancement (ADE). In this presentation, we explored this hypothesis through mathematical modelling (ODE). The proposed model reproduces the dynamic of susceptible and infected target cells (macrophages and monocytes), and dengue virus in scenarios of infection-neutralizing and -enhancing antibodies competition induced by two distinct serotypes of dengue virus. The enhancement and neutralization functions are derived from basic concepts of chemical reactions and used to mimic binding to the virus by two distinct populations of antibodies. We defined the time at which DHF/DSS occurs as the time when the infected cells (or the virus) population reaches a maximum. This corresponds to the time at which maximum enhancing activity for dengue infection appears. This critical time was calculated from the model to be few days after the occurrence of the infection, which corresponds to what is observed in the literature. Finally, using as output the basic reproduction number R0 (adapted from epidemiological models), we were able to highlighted the evidence of the role of enhancing antibodies in cross-reaction and the occurrence of DHF/DSS.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 a.m. under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Physico-genetics of Development and the Predictability of Morphological Evolution

Inherent propensities to generate familiar forms and patterns are exhibited by present-day animals and plants and were likely more prominent in primitive ones. The structural motifs of the bodies and organs or animals, e.g., multilayered, hollow, elongated and segmented tissues, internal and external appendages, branched tubes and modular endoskeletons, can be accounted for by the properties of mesoscale masses composed of cells of the group comprising the animals, the metazoans. These material properties, in turn, resulted from the recruitment of “generic” physical forces and mechanisms – adhesion, contraction, polarity, chemical oscillation, diffusion – by products of conserved genes of the “developmental toolkit” which were partly conserved from unicellular (holozoan) antecedents and partly novel. These genes are distributed in the different metazoan phyla in a fashion correlated with their morphological complexity. Cellular pattern formation – the arrangement of differentiated cells – is mediated by released morphogens, a subset of the toolkit gene products, interacting with biochemically responsive and excitable tissues. Evolutionary, these factors mobilized inherent self-organizing processes in proto-metazoans to transform clusters of holozoan cells into animal embryos and organs. These principles will be illustrated by the case of the evolution and development of the vertebrate limb.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 15:40 under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941 [global.gotomeeting.com]

Nonlocal reaction-diffusion equations in mathematical immunology

Conventional models in mathematical immunology consist of ordinary or delay differential equations for the concentrations of different cells participating in the immune response and for the concentration of pathogen. Their spatial distribution in the tissue or cell culture, or their dependence on the genotype is described by reaction-diffusion equations with time delay characterizing clonal expansion of lymphocytes and with nonlocal terms taking into account cross reaction in the immune response. In this presentation we will study some mathematical properties of such models and their biomedical applications.

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 10:40 p.m. under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941

Mathematical Models of Cartilage Pattern Formation in Tetrapod Limb Development: The Role of Galectins

One of the best studied experimental models for self-organization in embryonic development is the formation of skeletal elements in tetrapod limbs, in particular in the chicken and the mouse. Here cells aggregate to form chondrogenic condensations, which later turn into cartilage, then bone. This behavior is also seen in vitro in so-called micromass experiments. Several models for the underlying pattern forming mechanism have been proposed, spanning several decades, notably Turing-type reaction-diffusion mechanisms and positional information mechanisms based on spatiotemporal gradients of signaling molecules. In the chicken, the earliest markers of condensations are two glycan-binding proteins: CG (chicken galectin)-1A, CG-8 In our talk, we focus on modeling the experimentally established dynamics of a multiscale regulatory network consisting of CG-1A, CG-8 and their counterreceptors. The model consists of a system of partial differential equations containing a nonlocal term to represent cell-cell adhesion, adapted from work of Armstrong, Painter and Sherratt.

We present new results in two spatial dimensions, which allow for exploration of the topology of two dimensional patterns that can be generated. The full model recapitulates qualitatively and quantitatively the experimental results of network perturbation and leads to new predictions. This talk is based on joint work with S. A. Newman (NY Medical College), R. Bhat (Indian Institute of Science, Bangalore), J. Zhang (WWU), B. Kazmierczak and P. Chatterjee (IPPT Warsaw).

Remarks: The seminar will be held online via gotomeeting program. The access will be activated at 15:40 p.m. under the link https://global.gotomeeting.com/join/709739941

An analogy between electromagnetism and hydrodynamics. Maxwell and Euler equations.

Analogy is a powerful tool of discovery. James Clerk Maxwell, in particular, used certain analogies between hydrodynamics and electromagnetism to better understand the nature of the electromagnetic field.
In this talk I shall present a formal analogy between Euler equations expressed in new meaningful hydrodynamical variables and Maxwell equations. This formal analogy helps us to consider also some physical analogies between these two theories. An interesting question concerns the choice of 'the right variables' to describe a physical theory. Simple examples show that there are benefits but also subtle traps in using analogies.

Remarks: Seminarium online za pośrednictwem programu gotomeeting. Dostęp zostanie aktywowany o 10:40 pod linkiem https://global.gotomeeting.com/join/709739941

Mitochondria, oxidative stress and Non Alcoholic Fatty Liver Disease development: a complex relationship

Overconsumption of highly processed ready-made food, which is rich in refined sugars and saturated fatty acids, is directly implicated in the surge of NAFLD encompassing non-alcoholic steatohepatitis (NASH) are now among the most prevalent diseases (currently 9-37% incidence worldwide), with particularly steep increases in Western Societies that are likely lifestyle-related. Currently it affects 23% of the European Union population. NAFLD starts as an excessive accumulation of fat (steatosis) and then can progress to NASH and into more severe stages: fibrosis, cirrhosis and hepatocellular carcinoma. It is postulated that the progression of NAFLD towards NASH in a no reversible manner requires an additional insult, possibly involving a pro-oxidative state and mitochondrial dysfunction. Although several studies have associated a pro-oxidative state with NAFLD, the sequence of events and the signalling pathways that link oxidative stress at the first stages of NAFLD progression are poorly characterized. Furthermore, the prospects of reversing NAFLD are considerably diminished once NASH is well established, but to this point of disease progression, NAFLD is responsive to both diet/lifestyle and therapeutic strategies. Nevertheless, no pharmacological consensus for NAFLD treatment currently exists, mainly because the stage in which the disease has progressed to a “point-of-no-return” remains unknown. Co- supplementation of the high-fat combined with high-sucrose diet closely mirrors Human Western Diet in terms of fat and sucrose content, which is characteristic for the eating habits of Western society. Our research is dedicated to disclose the hepatic redox alterations and the specific end-points for mitochondrial dysfunction that represent a point of no return and which drive the progression of NAFLD towards NASH in a no reversible manner.

Karst-on-a-chip: microfluidic studies of dissolution of a gypsum fracture

Dissolution of fractured and porous media introduces a positive feedback between fluid transport and chemical reactions at mineral surfaces leading to self-focusing of the flow in pronounced wormhole-like channels. We study the flow-induced dissolution in a simple microfluidic setup, with a gypsum block inserted in between two polycarbonate plates, which is the simplest model of a fracture. This gives us a unique opportunity to observe the evolution of the dissolution patterns in-situ and in real-time. By changing the flow rate and the aperture of the fracture we can scan a relatively wide range of Peclet and Damkohler numbers, characterizing the relative magnitude of advection, diffusion and reaction in the system. Additionally, as the aperture is increased, a transition is observed between the fractal and regular dissolution patterns. For small gaps, the patterns are ramified fractals. For larger gaps, the dissolution fingers are found to have regular forms of two different kinds: either linear (for high flow rates) or parabolic (for lower flow rates). The experiments are supplemented with numerical simulations and analytical modeling which allow for a better understanding of evolving flow patterns. In particular, we find the shapes and propagation velocities of dominant fingers for different widths of the system, flow rates and reaction rates. Finally, we comment on the link between the experimentally observed patterns and the natural karst structures - cave conduits, pinnacles and solution pipes.

WIBROAKUSTYKA – młodsza siostra MECHANIKI. Wektorowe badania dynamiki przepływów akustycznych

Na podstawie wyników eksperymentalnych badań wektorowych cech fali akustycznej autor stara się potwierdzić bliskie związki mechaniki - szczególnie mechaniki płynów - ze współczesną akustyką. Za wykładnik współczesności przyjmuje przejście z klasycznej akustyki ciśnień na akustykę opisaną prędkością cząstki akustycznej lub inaczej; prędkością akustyczną będącą energetycznym obrazem akustycznego ruchu falowego. Prowadząc badania eksperymentalne z wykorzystaniem natężenia dźwięku autor skupia się na graficznym obrazowaniu i animacji dynamiki przepływów akustycznych zachodzących w warunkach rzeczywistych w polach swobodnych i ograniczonych. W badaniach wykorzystuje własne techniki pomiarowe i analityczne SI-AOD oraz bezinwazyjną anemometrię laserową PIV/LDA. Dzięki tym technikom, powszechnie znane zdarzenia akustyczne takie jak odbicia, załamania i rozproszenia fali zachodzące w rzeczywistym polu akustycznym możemy oglądać i analizować wzrokowo (Acoustical Imaging). Swoimi wynikami badań autor stara się uzasadnić otwartą do dyskusji tezę, zakładając, że nowa teoria akustycznych przepływów wirowych (Vortex Sound Theory) oparta o akustykę wektorową zmienia paradygmat akustyki klasycznej.

Remarks: Seminarium zostanie wygłoszone w języku polskim

50 lat metrologii plamkowej - 50 years of the speckle metrology

Metrologia plamkowa jest zbiorem optycznych technik pomiarowych stosowanych w mechanice eksperymentalnej. Umożliwiają one pomiar liniowych i kątowych przemieszczeń oraz wszystkich składowych odkształcenia ciała stałego. Na bazie technik plamkowych opracowane zostały również techniki pomiarowe używane w mechanice płynów (PIV, techniki gradientowe). Nowym, ale dość obiecującym obszarem zastosowań metod plamkowych są pomiary mikrogeometrii powierzchni zapoczątkowane w Polsce przez zespół prof. Bogdana Nowickiego.

Istotą technik plamkowych jest wytworzenie obrazu o dużej zawartości wysokich częstości przestrzennych, zwanego strukturą plamkową i powiązanie jego fotografii (zwanej specklogramem) z ruchem analizowanego obiektu. Struktury plamkowe są najczęściej wytwarzane poprzez rozproszenie światła laserowego. Istnieje jednak spora grupa technik pomiarowych wykorzystujących konwencjonalne źródła światła, zwanych tradycyjnie (choć niezbyt poprawnie ) metrologią plamkową w świetle białym. Te techniki były przez blisko 40 lat jednym z głównym obszarów prac prowadzonych przez autora referatu.

W referacie przedstawione zostaną podstawowe kierunki rozwoju metod plamkowych w ujęciu historycznym. W szczególności zaprezentowane będą:
- podstawowe techniki wytwarzania struktur plamkowych i ich powiązania z przemieszczeniami i odkształceniami badanych obiektów
- podstawy teoretyczne analizy obrazów plamkowych, w tym fundamentalne twierdzenie Tokarskiego i Burcha z roku 1968 oraz jego uogólniona wersja opublikowana przez autora w roku 1987-tym.
- Systemy analogowej obróbki obrazów plamkowych, w tym tzw. processingu fourierowskiego
- Wybrane algorytmy obróbki cyfrowej
Referat nie jest opracowaniem historycznym, choć dotyczy historii. Ma on pokazać mało w Polsce znany dorobek ludzi takich jak: Fu Pen Chiang, Ren Ming Juang, Maurice Françon, Robert Karol Erf, Colin Forno, Ignatio Lira, Keneth D. Kihm, pracujących na pograniczu optyki, matematyki i mechaniki eksperymentalnej. Głównym celem referatu jest jednak promocja mało znanych w Polsce technik pomiarowych, w tym technik opracowanych przez autora. Większość z nich może być stosowana bez użycia kosztownej, komercyjnej aparatury i dzięki temu jest znakomitym narzędziem dla realizacji niskonakładowych prac badawczych.

The speckle metrology is a set of optical measuring techniques used in Experimental Mechanics. They enable the measurement of movements and deformations of the solid body surface. On the base of speckle techniques also measuring techniques, used in the mechanics of fluids were constructed. This are different techniques of so called the light-knife (incl. PIV) and gradient techniques (incl. speckle tomography). Measurement of the surface microgeometry (begun in Poland by Prof. Bogdan Nowicki team) are one of the new, but enough promising area of speckle method application.

A creating of specle pattern connected with the movement of analysed object is the ground idea of all specle methods. Images of speckle pattern most often are produced by the dispersion and interferention of the laser-light. There however exists the fair-sized group of measuring techniques using conventional light sources, called traditionally (though not very correctly ) as the white light speckle metrology. These techniques were through about 40 years one of main trends of works led by author of this paper.

Basic directions of the development of the speckle methods in the historic seizure will be presented in the paper. Particularly author will presented:
- basic techniques of the speckle pattern making and manners of connections of this pattern with with movements or deformations of investigated object
- the basics theoretical analyses of specklegrams, in this the fundamental Tokarski&Burch theorem (from the year 1968) and his generalized version published by the author in year 1987-this.
- systems of the analog processing of specklegrams, in this Fourier processing
- chosen algorithms of the digital processing
The paper is not a historic elaboration, though concerns history. It shows the little in Poland of known achievements of people such as: Fu Pen Chiang, Ren Ming Juang, Maurice Françon, Robert Karol Erf, Colin Forno, Ignatio Lira, Keneth D. Kihm working in the borderland opticses, mathematicses and the experimental mechanics. The promotion of little known in Poland of measuring techniques, in this of techniques elaborated by the author, is a main objective of the paper. The most of they can be applied without the use of the expensive, commercial equipment and thanks to this is a superb tool for the realization of low-cost research works.

Remarks: Seminarium zostanie wygłoszone w języku polskim

Dynamic Lattice Liquid model - molecular simulations and hardware implementation

Pierwsza część zatytułowania "Diffusion in a crowded environment - influence of cooperativity" dotyczyć będzie opisu modelu Dynamic Lattice Liquid (DLL) oraz jego wykorzystania do badań dyfuzji w gęstych układach molekularnych. Druga część zatytułowana "Technology of Real-World Analyzers (TAUR) and its practical application" dotyczyć będzie opracowanej na Politechnice Łódzkiej technologii TAUR, której wytworzenie zainspirowane zostało algorytmem DLL. Przedstawiona zostanie także maszyna ARUZ zbudowana z zastosowaniem TAUR oraz przykładowe wyniki symulacji molekularnych uzyskane z wykorzystaniem ARUZa.

Remarks: Referaty zostaną wygłoszone w języku polskim.

Calcium signalling in dystrophic mice myoblasts

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a genetic muscular disorder caused by mutation(s) in the dystrophin-encoding gene and complete depletion of the functional protein. Dystrophin deficiency in contracting myofibers results in destabilization of the sarcoplasma membrane and affects membrane proteins organization leading to an excessive Ca2+ entry into cells. Under normal conditions dystrophin protein appears in differentiating muscle cells; in myoblasts it is not detectable despite presence of its mRNA. Thus, most studies on DMD have been conducted with the use of myotubes and myofibers. In other words investigating the effects of dystrophin deficiency in undifferentiated muscle cells have seemed unnecessary. However, contrary to expectations, some phenotypic effects of mutations in the dystrophin-encoding gene, including affected calcium homeostasis, in dystrophic mouse (mdx) myoblasts we have already observed and published. We have shown that an exposure of mdx myoblasts (derived from mdx mouse which is an animal model of Duchenne type muscular dystrophy) to extracellular ATP triggers an increase in [Ca2+]c, with participation of both P2X and P2Y receptors. In addition, we described significantly affected mitochondrial energy metabolism in mdx myoblast in comparison to the appropriate control. We have also found substantially stimulated store-operated calcium entry (SOCE) into immortalised as well as primary myoblasts derived from mdx mouse. Most recently we have described a broad spectrum of mdx-related changes in proteins which are involved in cellular Ca2+ signalling in myoblasts. My talk will be focused on these findings, which shed new light on DMD pathophysiology.

CREDO - "the quest for the unexpected": Cosmic Ray Ensembles

The CREDO Project is a global observatory aimed at seeing something that no one has ever seen before and that may not exist at all. Conceived up and so far theoretical only avalanches of elementary particles of size measured in astronomical units today are as unimaginable as Extensive Air Shower were a hundred years ago. They're called Cosmic Ray Ensembles. You could see it if you look at the radiation coming to us from space from all possible places on Earth. The brilliant idea was to use for this purpose matrices of cameras that everyone (?) has on their mobile phone. Connecting into one network millions (billions?) of tiny detectors is an amazing and extremely ambitious task. The question remains if this is a good way. But there are others. The CREDO project is open to everyone. Of course, it would be great to catch a bunny, but just chasing after him is, firstly, fascinating, and secondly and more importantly, it can be very educational for young people chasing after elementary particles with smartphones in their hands.
(For foreigners not knowing polish songs of late 60. the last sentence could be not very clear, but...)

Dwa dni pracy eksperta ISCARSAH - wizja lokalna w Iranie

Z dwutygodniowej wizji lokalnej ponad 20 irańskich zabytków przeprowadzonej w październiku 2018 roku na zaproszenie Iranian Cultural Heritage, Handicraft and Tourism Organisation przedstawię 4 zabytki z okresu od XIII w p.n.e. do wieku XIX.
O wyborze zadecydowała możliwość zilustrowania na ich bazie metody wstępnej analizy obiektu, identyfikacji występujących problemów i zaprezentowania zabytków o konstrukcji i charakterze odmiennych od europejskich.
Po przedstawieniu czym jest ISCARSAH - International Scientific Committee on Analysis and Restoration of Structures of Architectural Heritage - oraz celu i zakresu terytorialnego wizyty omówione zostaną
• Budynek XIX-wieczny w Ahvaz;
• Zikkurat Chogha Zanbil;
• Grób Proroka Daniela w Shoush;
• System wodny w Shoushtar.

What happens with the climate?

I will start by presenting the changes already observed in Europe, with particular emphasis on Poland. I will compare the natural variability of climate with what we now call global warming.Then present a number of arguments indicating that man is largely responsible for contemporary warming: radiation forcing, changes in the composition of the atmosphere, isotopic varieties of carbon, warming of the troposphere, cooling the stratosphere, changes in temperature on Earth compared to changes in solar activity, warming of the oceans, changes in the acidity of ocean waters, etc.

Remarks: seminarium zamiast 16. grudnia

Globalne ocieplenie: mechanizmy i perspektywy

Podczas prezentacji zdefiniuję pojęcie systemu klimatycznego, wymuszeń działających na system klimatyczny i sprzężeń w systemie klimatycznym.

Na tej podstawie pokażę, że obecna zmiana klimatu, ze względu na specyficzne wymuszenie, jest inna niż zmiany z przeszłości geologicznej o których wiemy na podstawie danych paleoklimatycznych. Na koniec przedstawię możliwe scenariusze klimatyczne na przyszłość na tle zmian klimatu w historii geologicznej Ziemi.

Zastosowanie rachunku pochodnych niecałkowitego rzędu w mechanice ciał odkształcalnych

Referat obejmuje przegląd dotychczas uzyskanych rezultatów w mechanice ciał odkształcalnych w wersji nielokalnej z wykorzystaniem rachunku pochodnych niecałkowitego rzędu. Zasadniczy nacisk będzie położony w szczególności na modele z zastosowaniem pochodnej Caputo oraz Almeidy-Caputo względem: (i) zmiennej przestrzennej; (ii) stanu naprężenia; i (iii) czasu. Modelowanie matematyczne uzupełnione zostanie walidacją z pomiarami eksperymentalnymi, m.in. polimerowych mikrobelek SU-8; dyskretnych układów Borna-von Karmana oraz tkanek mózgu ludzkiego i tętniaka aorty brzusznej.

[1] Krzysztof Szajek, Wojciech Sumelka, Tomasz Blaszczyk, Krzysztof Bekus, On selected aspects of space-fractional continuum mechanics model approximation, International Journal of Mechanical Sciences, 2020.
[2] Szajek, K. & Sumelka, W. Eur. Phys. J. Plus (2019) 134: 448. https://doi.org/10.1140/epjp/i2019-12890-8
[3] Sun, Y. & Sumelka, W. Acta Mech (2019) 230: 3365. https://doi.org/10.1007/s00707-019-02466-z
[4] Szymczyk, M.; Nowak, M.; Sumelka, W. Numerical Study of Dynamic Properties of Fractional Viscoplasticity Model. Symmetry 2018, 10, 282.
[5] Wojciech Sumelka, George Z. Voyiadjis, A hyperelastic fractional damage material model with memory, International Journal of Solids and Structures, 2017

Nanomaterials with their specifics properties for applications in biomedicine and electronics

The content of my lecture are the results of my research carried out in recent years and educational activities on the preservation of molecular matter condensed in nano-systems and their practical applications using their specific properties in biomedicine and electronics. Nanotechnology allows manipulation of matter at the level of individual atoms and produces materials with new properties different from their counterparts in the solid body. During the lecture, current progress will be presented in the processes of production of metallic, semiconductor, magnetic and carbon based nanostructures and nanomaterials. One of the important properties of nanotechnology is the ability to manipulate the electronic structure, mechanical properties and magnetic nanomaterials through changes in their ultrastructure, morphology and material composition. During the lecture I will present experimental methods developed in our laboratories for the creation and application of nanomaterials supporting early diagnostics and therapy of diseases as well as their application in electronics.
References:
1. Mulvaney, P; Liz-Marzan, LM; Giersig, M; et al.; Silica encapsulation of quantum dots and metal clusters; Journal of Materials Chemistry; 2000 10 6 1259-1270
2. Tang, ZY; Kotov, NA; Giersig, M; Spontaneous organization of single CdTe nanoparticles into luminescent nanowires; Science; 2002 297 5579 237-240
3. Correa-Duarte, MA; Wagner, N; Rojas-Chapana, J; et al.; Fabrication and biocompatibility of carbon nanotube-based 3D networks as scaffolds for cell seeding and growth; Nano Letters; 2004 4 11 2233-2236
4. Kosiorek, A; Kandulski, W; Chudzinski, P; et al.; Shadow nanosphere lithography: Simulation and experiment; Nano Letters; 2004 4 7 1359-1363
5. Karageorgiev, P; Neher, D; Schulz, B; et al.; From anisotropic photo-fluidity towards nanomanipulation in the optical near-field; Nature Materials; 2005 4 9 699-703
6. Ctistis, G.; Papaioannou, E.; Patoka, P.; et al.; Optical and Magnetic Properties of Hexagonal Arrays of Subwavelength Holes in Optically Thin Cobalt Films; Nano Letters; 2009 9 1 1-6
7. Mueller NS, Morfa AJ, Abou-Ras D, et al.; Growing graphene on polycrystalline copper foils by ultra-high vacuum chemical vapor deposition; Carbon; 2014 78 347–355

The effect of compressibility on thermal convection

The properties of fully developed compressible convection substantially differ from the Boussinesq case, the main two reasons for it being that the thermal and kinetic energies in compressible systems are comparable thus the work of the buoyancy force and the viscous heating significantly contribute to the total heat flux in the system. Moreover, convection tends to be most vigorous in the region where the density is smallest, i.e. near the top. We study here the influence of stratification on the Rayleigh (and Prandtl) number dependence of the Nusselt number in anelastic convection (that is with significant density stratification). It is reported, that the dynamics of the top and bottom boundary layers differs significantly. The top boundary layer is typically thicker and the entropy jump across it is larger than in case of the bottom boundary layer and thus, in connection with the fact that the convective velocities are largest near the top, the viscous heating at the top layer is much stronger and it is much more likely to become compressible as the stratification is increased. The top boundary layer is also more prone to instability than the bottom one, since the local Reynolds number based on the boundary layer thickness and the convective velocity is significantly larger in the former case.

Magnetic suspension technology from Military University of Technology

Magnetic suspension technology was developed and commercialised in practice due to its advantages, such as no mechanical contact between the kinematic pair in various drives. This technology eliminates mechanical contact between the stator and the rotor, friction forces, small additional losses, etc. The magnetic suspension systems are classified into three categories: active, passive and non-bearing drives. Active magnetic suspensions use electromagnets to generate magnetic forces and require a closed-loop control system. Passive magnetic suspensions use permanent magnets, superconductors and conductors of various configurations to generate magnetic levitation forces. They do not require feedback control systems and they are simpler than the active systems. Compared to ordinary mechanical bearings, the magnetic bearings have several advantages, such as low mechanical vibrations level, no need for lubrication, high durability, no tribological wears and the ability to operate long time at high speed.
During the lecture, the magnetic suspension structure (active, passive and bearingless electric machines) will be presented. In particular, simulations and experimental studies of the magnetic linear guide and magnetic bearings dedicated to rotary machines will be shown. Finally, the doctoral dissertation on the advanced magnetic control system of a jet-engine rotor suspension system will be discussed.

Uroczyste seminarium naukowe poświęcone pamięci Profesora Wojciecha Krzysztofa Nowackiego (1938-2009)

Program Seminarium obejmuje:
* Powitanie gości i uczestników Seminarium - prof. Tadeusz Burczyński

* Wykład pt.: "Wspomnienie o Profesorze Wojciechu Krzysztofie Nowackim (1938-2009): życie i twórczość"
dr hab. Elżbieta Pieczyska

* Dyskusja: wystąpienia gości i uczestników:
Jak pamiętamy prof. Wojciecha K. Nowackiego?

* Zamknięcie Seminarium

* Poczęstunek

From Schrödinger and Maxwell equations to wave optics of exact vector twisted beams

It is well known that exact, nonparaxial solution to beam propagation can be obtained by successive corrections to the corresponding approximate, paraxial solution. This solution has then a form of infinite expansion of the beam field in powers of some expansion parameter. It appears however, that the exact solution to the problem can be formulated differently, without resorting to any field expansion or approximation. A final three-dimensional vector form of this solution is composed from a few independent scalar beam fields being exact solutions to Fock or Schrödinger parabolic equations. Elegant Laguerre-Gaussian beams of arbitrary order are taken as building blocks of this final solution. They span a space of square integrated functions and carry finite energy, linear and angular momenta densities along directions of their propagation. As such, they are especially suitable in analyses of beam propagation problems in free space or, in general, in any planar layered dielectric structure.

A minimal gradient-enhancement of the classical continuum theory of crystal plasticity

A simple gradient-enhancement of the classical continuum theory of plasticity of single crystals has been proposed for incorporating size effects in a manner consistent with phenomenological laws established in materials science. A missing term in the standard hardening rate-equation has been derived which includes a natural internal length scale expressed in a closed form through standard parameters. In result, by this simple enhancement of the classical theory of plasticity, no extra assumption is needed to predict size effects. A surprising agreement with experimental observations of the spherical indentation in a Cu single crystal was found.

Zrozumienie roli fazy amorficznej w wybranych właściwościach polimerów krystalizujących (seminarium habilitacyjne)

Rocznie na świecie wytwarza się ponad 350 milionów ton tworzyw polimerowych a ich produkcja z każdym kolejnym rokiem systematycznie wzrasta. Jeśli przeanalizujemy na jakiego rodzaju materiały polimerowe jest największe zapotrzebowanie to okaże się, że trzy pierwsze pozycje w zestawieniu zajmują polimery częściowo krystaliczne. Unikatowe właściwości fizyczne polimerów częściowo krystalicznych są pochodną ich złożonej, równie unikatowej struktury. Ze względu na znaczny udział obszarów nieuporządkowanych (amorficznych) w polimerze krystalizującym (wynoszący od 10 do blisko 100 %) podejmowanie badań dotyczących niniejszego komponentu wydaje się niezwykle istotne.
Podczas wykładu zaprezentowane zostaną badania dotyczące roli fazy amorficznej we właściwościach fizycznych polimerów częściowo krystalicznych. Przeanalizowany zostanie wpływ struktury obszarów nieuporządkowanych na właściwości matrycy polimerowej (właściwości mechaniczne, termiczne, barierowe) jak również mechanizmy aktywowane podczas procesu deformacji. Przeanalizowana zostanie także rola zjawiska kawitacji (jeden z mechanizmów towarzyszących odkształcaniu większości polimerów krystalizujących, aktywowany w fazie amorficznej) na szereg procesów/zjawisk towarzyszących deformacji plastycznej polimerów częściowo krystalicznych: fragmentację kryształów lamelarnych, indukowaną odkształcaniem dynamikę reorientacji komponentu krystalicznego i amorficznego, stopień orientacji kryształów, odkształcenie aktywacji mechanizmów deformacji plastycznej kryształów oraz transformacji martenzytycznej, efekty termiczne towarzyszące odkształcaniu.

Ultradźwiękowe badania właściwości fizykochemicznych wybranych ośrodków ciekłych w warunkach wysokiego ciśnienia (seminarium habilitacyjne)

Przedstawione zostaną wyniki badań i ich analiza dla trzech wybranych cieczy z grupy acylogliceroli: dwie ciecze to triacyloglicerole (olej z oliwek i trioleina) oraz jedna to diacyloglicerol (olej DAG). Badania były prowadzone w warunkach wysokiego ciśnienia sięgającego wartości 650 MPa przy wykorzystaniu metod ultradźwiękowych. W czasie kompresji zmierzono gęstość, prędkość dźwięku oraz lepkość badanych cieczy. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono wartości następujących parametrów: ściśliwości adiabatycznej βS, długości międzycząsteczkowej drogi swobodnej Lf, objętości molowej VM, stałej b w równaniu van der Waalsa, różnicy objętości molowej VM i parametru b oraz napięcia powierzchniowego σ. Stwierdzono obecność wysokociśnieniowych przemian fazowych we wszystkich badanych cieczach. Zbadano przebieg zmian ciśnienia w trakcie przemiany fazowej. Znaczne różnice w zachowaniu się badanych cieczy w warunkach wysokiego ciśnienia wynikają z zasadniczych różnic w cząsteczkowej budowie tych cieczy.

Wykorzystanie metrologii magnetycznej w dziedzinie badania właściwości materiałów

Inżynieria materiałowa jest dziedziną nauki zajmującą się w bardzo szerokim zakresie technikami wytwarzania jak i badania nowych czy też istniejących już materiałów. Potrzeba pozyskiwania coraz to dokładniejszych informacji na temat stanu nowo zaprojektowanego czy też eksploatowanego materiału implikuje konieczność opracowywania nowych technik badań umożliwiających, w połączeniu z klasycznymi technikami, coraz to dokładniejszą i efektywniejszą ich charakterystykę. Referat ma za zadanie zaprezentować możliwości zastosowania zjawisk magnetycznych, głównie magnetosprężystych, w dziedzinie badań strukturalnych oraz w zakresie określania wielkości odkształcenia występującego w stalach ferromagnetycznych. Prezentować będzie osiągnięcia wieloletnich badań z wykorzystaniem autorskich rozwiązań systemów pomiarowych, wykorzystujących zjawisko magnetosprężyste, dla różnych klas materiałów konstrukcyjnych, wykazując ich skuteczność w zakresie szeroko pojętej charakterystyki materiałowej.

Influence of structure on physical properties and performance of electrospun nanofibers for advanced applications (seminarium habilitacyjne)

The development of novel advanced nanomaterials raised in the last decade years has been strongly assisted by the progresses in the optimization of processes able to transform polymer masses into fibers. Moving from micrometric to nanometric dimensions by using electrospinning, polymer fibers acquire new chemical as well as morphological characteristics, which in turn provide or improve several material features like as the physical properties. The high surface area make these fibers useful in all the applications that require an elevate number of active sites per unit volume, therefore during the last decade electrospun nanofibers found application in several fields: filtration, insulation, biomedical devices, protective clothing, conducting devices, sensors, catalysis, photovoltaics, fuel cells, and energy storage. Among the many interesting applications, electrospun nanofibers have been used in several branches on biomedicine like as tissue engineering, drug delivery, biosensing, diagnostics, wound dressing, biomembranes and coatings. During this seminar, we will discuss the latest application of electrospun nanofibers focusing on the Author's contribution to the scientific progress in the field.

Stimuli-responsive materials: a focus on magneto-mechanics

Soft materials that can deform under external stimuli offer great opportunities for the development of new structural applications such as sensor-actuator systems, soft robots or biomedical devices. Among these materials, soft polymers filled with magnetic particles are experiencing an increasing interest from the scientific community. Apart from magnetorheological elastomers and ferrogels, a new magneto-sensitive material type has been developed recently. These so-called hard-magnetic materials allow for shape-programmability by the addition of magnetically-hard particles within a polymeric matrix. In this regard, constitutive and computational frameworks describing the magneto-mechanics of such materials are needed to provide new avenues in the development of novel applications based on hard-magnetic soft polymers. To this end, this work focuses on the mathematical modelling of the magneto-mechanics of hard-magnetic soft materials and their implementation in finite element (FE) frameworks. The proposed continuum model is formulated for large deformations and within a thermodynamically consistent framework. In addition, the model incorporates viscous contributions to account for relaxation and dissipation effects in the deformation process of these materials when subjected to external magnetic fields and/or mechanical loading. To illustrate the theory, the magneto-mechanical model is implemented within an implicit static FE framework and three numerical examples are provided to explore potential applications as well as to evaluate the influence of the external magnetic field application on the viscoelastic response of the material. Finally, the framework is implemented in an implicit dynamic FE framework to evaluate the role of inertial terms on the dynamic response of these materials.

Modelowanie zjawisk przepływowych i cieplnych w materiałach porowatych z uwzględnieniem szczegółowego odwzorowania analizowanego obszaru przestrzeni porowej

Jednym z aktualnych wyzwań w przemyśle naftowym jest określenie porowatości efektywnej i przepuszczalności absolutnej w skałach charakteryzujących się niską porowatością. Czynniki te mają ogromny wpływ na efektywność wykorzystania niekonwencjonalnych zasobów ropy i gazu dla zastosowań w energetyce zawodowej.
W referacie przedstawione zostaną wyniki analizy przepływowej i cieplnej materiałów charakteryzujących się niską porowatością i niewielkimi wymiarami. Przepuszczalność skał, a także charakterystyka przepływu i całkowity strumień płynu zależy od podstawowych właściwości cieczy i materiału. Równania używane do opisu zjawisk transportu w materiałach porowatych i podejściu stosowanym w analizie zjawiska przepływu płynu mogą się różnić i zależą m.in. od liczby Knudsena, czy liczby Reynoldsa. W przypadku materiałów o niskiej porowatości konieczne jest uwzględnianie zjawiska poślizgu występującego na ściankach kanałów ciała stałego i mające wpływ na końcową wartość strumienia przepływającego płynu. Modelowanie wymiany ciepła ma zasadnicze znaczenie dla oceny potencjału geotermalnego, właściwości termicznych w zbiornikach wody i węglowodorów, rozkładu temperatury w glebie stosowanej w podziemnych sieciach kablowych. Przedstawione wyniki analizy cieplnej pozwalają na ocenę i wyznaczenie efektywnej przewodności cieplnej w próbce skalnej.
Przeprowadzenie wyżej wymienionych analiz wymaga jednak wykorzystania szczegółowego modelu geometrycznego analizowanej próbki. Przygotowanie trójwymiarowych modeli geometrycznych próbek materiałów porowatych, na podstawie danych wejściowych pochodzących z badań laboratoryjnych, możliwe jest dzięki zastosowaniu specjalnego oprogramowania (poROSE). Opracowane narzędzie pozwala na generowanie i modyfikowanie trójwymiarowego modelu geometrycznego próbki o złożonym kształcie, a także na realizacje analiz i oceny parametrów modeli geometrycznych. Wygenerowana próbka materiału porowatego może być wykorzystana, jako dane wejściowe do modelowania zjawisk przepływowych i cieplnych, zarówno w płynie, jak i domenie ciała stałego.

Removal of particles from a rough wall by a air shear flow

Removing particles from a wall with a laminar shear flow of air looks a priori difficult: (i) because of the high adhesion force between small particles and a wall; (ii) and since the lift force, that is proportional to the air density and to the ambient velocity, is quite small close to the wall. It is shown how a particle on a rough wall may nevertheless be entrained by: (i) rolling on the wall; (ii) climbing on a peak of roughness; (ii) be slowly lifted away from the wall in a region where the ambient velocity is higher. The model of the first steps of the sequence takes into account the adhesion force between a particle and a rough wall that is estimated from AFM measurements.

Znaczenie inżynierii materiałowej w etapie 4.0 rewolucji technologicznej

Po epoce wody i pary oraz masowej produkcji opartej na podziale pracy z użyciem elektryczności i kolejno z wykorzystaniem elektroniki i technologii informatycznej do automatyzacji procesów wytwórczych, następuje dynamiczne wykorzystanie systemów cyber-fizycznych, Internetu rzeczy, maszyn uczących oraz sztucznej inteligencji i wirtualnej rzeczywistości, obecnie gwarantujących postęp produkcji. To stadium uznano za czwarty etap rewolucji przemysłowej, w skrócie określane jako Przemysł 4.0. Wyznaczono 9 technologii decydujących o zmianie produkcji przemysłowej w tym stadium. Inteligentna fabryka i tzw. „cyfrowy bliźniak” stanowią centrum zainteresowania przy tym podejściu. W ocenie Autora w tych rozważaniach pomijane są jednak dwa niezwykle istotne aspekty, tzn. procesy wytwarzania i materiały inżynierskie. Człowiek bowiem od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał materiały potrzebne do zdobycia pożywienia, zwiększenia bezpieczeństwa i zapewnienia odpowiedniego poziomu życia. Pominięcie tych zagadnień, decydujących o istocie produkcji przemysłowej, uniemożliwiłoby wytworzenie jakichkolwiek produktów, w konsekwencji dostępnych na rynku. Materiały są stale doskonalone i coraz dogłębniej projektowane, w ścisłej zgodzie z wymogami projektantów i producentów produktów, bardzo często z wykorzystaniem bardzo zaawansowanych metod określanych jako komputerowa nauka o materiałach. Ta idea Przemysłu 4.0 prezentowana tak, jak dotychczas, wymaga zatem pilnej korekty. Ta teza wskazuje, że nie tylko kształt, strukturę i własności, a przez to funkcje użytkowe produktu można zaprojektować już podczas projektowania materiałowego, stanowiącego część projektowania inżynierskiego produktu, lecz należy wówczas zaprojektować również trwałość, utrzymanie ruchu, jak i walory eksploatacyjne produktów. Przedstawiono przykłady własnych zaawansowanych badań kilku przykładowo wybranych, nowo opracowanych materiałów, stosowanych w bardzo odległych od siebie obszarach aplikacyjnych, które ilustrują zasadność postawionej tezy. Badania wykonano m.in. z użyciem wysokorozdzielczego transmisyjnego mikroskopu elektronowego, co umożliwia śledzenie struktury z odwzorowaniem poszczególnych atomów w skali nanometrycznej. Przykłady dotyczą implantów biologiczno-inżynierskich wytwarzanych hybrydowo technologiami przyrostowymi, inżynierii powierzchni i inżynierii tkankowej, ogniw fotowoltaicznych z krzemu polikrystalicznego poddanego mikroobróbce laserowej oraz ogniw barwnikowych, w których wykorzystano nanorurki węglowe i grafen płatkowy. Przedstawiono stale wysokomanganowe austenityczne, przydatne w produkcji pojazdów samochodowych, wykazujące nanostrukturalne efekty lokalnego bliźniakowania i przemiany martenzytycznej, odpowiadające za absorbowanie energii w wyniku znacznego zwiększenia zapasu energii odkształcenia plastycznego. Przedstawiono materiały nanokompozytowe, w których wykorzystano nanorurki węglowe i haloizytowe i to zastosowane zarówno jako osnowa, jak i jako wzmocnienie. Nanostrukturalne pokrycia uzyskiwane metodami fizycznego i chemicznego osadzania z fazy gazowej przedstawiono na przykładzie narzędzi ceramicznych i stalowych. Wskazano na związek badanych zjawisk i efektów strukturalnych z funkcjami użytkowymi produktów, do wytworzenia których użyto analizowane materiały oraz z ich własnościami użytkowymi. W konkluzji potwierdzono, że projektowanie materiałowe należy do bardzo istotnych elementów gwarantujących postęp produkcji w etapie 4.0 rewolucji przemysłowej.
Wykład został opracowany w związku z Projektem IMSKA-MAT numer POIR.01.01.00-0397/16-00 dofinansowanym przez Narodowe Centrum Badań I Rozwoju w Warszawie.

Tribology: the tool to design materials for energy efficient and durable products & process

The presentation describes a summary of the main tribological achievements carried out in TEKNIKER during the last 37 years. It covers the description of commercial and new developed tribological test benches and case studies for a wide variety of applications. The examples refer to different tribological characterization tools for materials selection (eg. composition, surface treatments, lubricants). It makes emphasis in the failure mechanisms (pitting, scuffing, abrasion, adhesion, thermal fatigue, tribocorrosion, ...) and friction simulation of a wide range of materials (seals, textiles, steels, cast iron, light alloys, ceramic, composites), tribological systems (mechanical components, biomaterials, tribolubrication) and environments (vacuum, ultra-high vacuum, low or high temperature and corrosive). A huge range of new testing equipment’s and protocols have been developed to simulate the mentioned failure mechanisms and working environments. This knowledge will make possible in the future, to simulate at laboratory, a still wider list of tribological systems and develop new standards. Tribology will help to implement in a cost efficient, predictive and safe way, low carbon footprint materials solutions, into energy and resource efficient real systems.
Keywords: tribology, tribocorrosion, lubricants, materials, pitting, scuffing, abrasion, adhesion, erosion, thermal fatigue, die soldering, vacuum, ultrahigh vacuum, tribodesorption, outgassing, high temperature, corrosive.

Development of self-adaptive systems for mitigation of response under dynamic excitation

Mitigation of system response under dynamic excitation is an attractive field of research due to practical challenges, which include accuracy and speed of measurement and control, variability and randomness of excitation conditions, and also the restrictiveness of the design and reliability requirements, e.g., in aerospace applications. The aim of this research is to elaborate efficient control methods for absorbers which mitigate structural response under dynamic excitation. The first part of the presentation identifies the insufficiencies and limitations of the current systems. Then, semi-passive solutions, which ensure mitigation at the level comparable with semi-active devices, are proposed. The second part concerns the development of the semi-active control methods and "smart absorbers", which provide self-adaptivity of the impact absorption system. As a result, the robustness of the absorber is increased, and the system operates more reliably under uncertain excitation conditions and other disturbances.

Nowatorskie zastosowania MES w metodach diagnostyki materiałów i stanu konstrukcji inżynierskich (seminarium habilitacyjne)

Seminarium będzie przedstawiać komplementarne osiągnięcia Kandydata w trzech sferach, składających się na tzw. Trójkąt Wiedzy, polegający na efektywnym łączeniu badań naukowych, edukacji oraz prac wdrożeniowych. W zakresie osiągnięć naukowych uwypuklone będą wyniki fundamentalnej analizy techniki MMM (tzw. Metody Pamięci Metali). Argumentacja Kandydata została z powodzeniem zastosowana w kontekście MMM po raz pierwszy na świecie i została uwzględniona w pracach międzynarodowego komitetu nad nową wersją normy ISO 24997. Podsumowane będą także prace rozszerzające zakres stosowalności tzw. metody otworkowej wyznaczania stanu naprężenia. W zakresie osiągnięć dydaktycznych, streszczone będą założenia oryginalnego i spójnego systemu kształcenia studentów inżynierów, budowanego przez Autora od ponad 10 lat. System ten rozwijany był m.in. dzięki przeprowadzaniu licznych szkoleń propagujących dobre praktyki w stosowaniu technik symulacyjnych, a także unikatowej inicjatywie Studiów Podyplomowych "Symulacje Komputerowe dla Inżynierów". Na zakończenie, Kandydat streści doświadczenia związane z szeregiem prac rozwojowych, którymi zajmował się jako kierownik prac badawczych w polskim biurze projektowym DES ART w Gdyni, z powodzeniem dokonując trudnej sztuki łączenia aspektów podstawowych (publikacje) z koniecznością sprostania wymaganiom bieżącego zapotrzebowania rynkowego.

Kontynualne modelowanie pól sprzężonych w heterostukturach piezoelektrycznych (seminarium habilitacyjne)

Postępującą miniaturyzacja urządzeń optoelektronicznych będąca efektem półprzewodnikowej rewolucji technologicznej powoduje wzmożone zainteresowanie m.in. półprzewodnikowymi heterostrukturami krystalicznymi typu III-N. W trakcie seminarium przedstawiony zostanie wkład autora w wyjaśnienie zjawisk rządzących zachowaniem piezoelektrycznych heterostruktur GaN/AlN w ramach modelowania kontynualnego wspartego metodą elementów skończonych. Przedmiotem analizy będzie wpływ orientacji krystalograficznej kropki kwantowej na piezoelektryczne pola sprzężone w różnego typu kropkach GaN/AlN, wzajemne oddziaływanie w układzie naładowana elektrycznie dyslokacja - kropka kwantowa oraz nieliniowe zachowanie się heterostruktur GaN/AlN.

Damage identification in structural elements and bolted connections of spatial skeletal structures (seminarium habilitacyjne)

Structural Health Monitoring (SHM) and, in particular, damage identification methods based on vibration characteristics have a 30-year long history and, despite the significant progress made in that field over these years, many open problems still remain. During the seminar, the Author's contribution to that field will be presented. Issues related to optimal sensor placement, modelling and parametrization of damage in bolted connections will be discussed. Additionally, since damage is expected to occur only in a particular region of the structure, two algorithms for sparsity constrained damage identification will be proposed, namely non-negative least squares (NNLS) and ℓ1-norm minimization. Effectiveness of the proposed methodologies will be demonstrated on real engineering examples of a tall telecommunication tower and an upper deck-arch bridge. Finally, the main conclusions from the Author’s papers will be recalled, and a few remarks on possible future developments will be made.

Modele afiniczne w ujęciu kwantowym w mechanice układów z mikro- i nanostrukturą (seminarium habilitacyjne)

Zaprezentowane zostaną główne idee opisu ruchu ciała jednorodnie deformowalnego (afinicznie sztywnego) w ujęciu mechaniki kwantowej. Zostanie dokonany również krótki przegląd podstawowych pojęć dotyczących klasycznej mechaniki afinicznych modów kolektywnych i wewnętrznych w opisie ośrodków z mikro- i nanostrukturą. Przedstawione rozważania będą głównie opierać się na standardowym podejściu Schroedingerowskim do kwantyzacji układów klasycznych realizowanym w języku funkcji falowych na odpowiedniej grupie (afinicznej, liniowej, ortogonalnej, itp.) lub jej przestrzeni jednorodnej. Zostanie również zaproponowana procedura kwantyzacji infinitezymalnych ciał próbnych (tzn. nieskończenie małego ciała sztywnego z możliwością uogólnienia opisu do ciała afinicznie sztywnego) poruszających się po zadanej dwuwymiarowej przestrzeni (np. membrany i biomembrany, powłoki, błony komórkowe, itd.) z krzywizną (zanurzonej w przestrzeni trójwymiarowej). Ogólny schemat zostanie zilustrowany na przykładzie przestrzeni o stałej krzywiźnie, takich jak dwuwymiarowa sfera i pseudosfera (przestrzeń Łobaczewskiego).

Analiza zagadnienia więzów i dynamiki ciał jednorodnie deformowalnych (seminarium habilitacyjne)

Zaprezentowana zostanie ogólna analiza geometryczna problemów pojawiających się w dynamice ciał afinicznie sztywnych (tzn. jednorodnie deformowalnych). Termin "afinicznie sztywne ciało" został wprowadzony przez Profesora Jana Jerzego Sławianowskiego, oznacza on ciało sztywne w sensie geometrii afinicznej, tzn. wszystkie relacje afiniczne pomiędzy punktami materialnymi, z których się składa dane ciało, pozostają niezmiennicze. Zostanie zaprezentowany przegląd wybranych dodatkowych więzów nałożonych na ruchy afiniczne, zarówno holonomicznych, jak i nieholonomicznych. W szczególności, omawiając przypadek ruchu bezobrotowego przedstawione zostanie zarówno zwykłe ("tradycyjne") podejście d'Alembertowskie, jak i alternatywne podejście wakonomiczne.

Wpływ sprzężenia elektromechanicznego na dynamikę napędu pojazdów i maszyn

W ostatnich latach rozwój techniki, a przede wszystkim wzrost świadomości i odpowiedzialności za środowisko naturalne, pozwoliły na dynamiczny rozwój napędów elektrycznych pojazdów i maszyn. Zauważyć można na rynku szybki rozwój elektrycznego transportu publicznego w postaci autobusów i tramwajów elektrycznych. W wielu miastach i gminach zostają skutecznie wprowadzane tzw. strefy zielone, gdzie w niedługim czasie będzie obowiązywał całkowity zakaz wjazdu pojazdów z napędem spalinowym. W związku z powyższym, podjęto próbę analizy wpływu sprężeń elektromechanicznych w elektrycznych napędach pojazdów oraz maszyn. W ramach seminarium zaprezentowane zostaną przykłady analizy dynamicznej napędu pojazdów szynowych oraz maszyn. Zostaną przedstawione opisy matematyczne wybranych obiektów wraz z wynikami teoretycznymi oraz eksperymentalnymi. Na podstawie otrzymanych wyników badań należy stwierdzić, że – ze względu na występowanie i istotność sprzężeń elektromechanicznych – istnieje potrzeba zaawansowanego modelowania i identyfikacji cech silnika elektrycznego napędzającego badane układy mechaniczne.

Stability For Charged Particles Settling Under Gravity In A Viscous Fluid (seminarium przed otwarciem przewodu doktorskiego)

It is shown by construction that two charged particles settling in a viscous fluid may have configurations which are asymptotically stable to perturbations, a new fundamental result for the qualitative behavior of settling particles in the low Reynolds number regime. This may have wide applications in the motion of micrometer scale systems. It is shown that such states exist for a wide range of charges, particle radii and particle densities. Scientific plans for future work building on the results outlined in [1] will be announced.
[1] Trombley, C.; Ekiel-Jeżewska, M.L. "Stable Configurations of Charged Sedimenting Particles". Physical Review Letters, 121, 254502, 2018.

Wavelet analysis of ultrasonic signals in soft tissue structure characterization

The main thesis of the presented dissertation is to introduce the new markers characterizing tissue microstructure thanks to the use of wavelet distributions of backscattered signals. Primo, using the wavelet decomposition of the signal envelop we found
1. new statistical markers associated with different number of diffusers (in agar imaginations doped with glass balls), and
2. the method of tracking temperature increase by parameters in a wavelet level decomposition which significantly reducing the amount of data processed is proposed.
Secondo, using the wavelet distributions of the signal
1. it is shown that determining the MSS parameter (mean scatterer spacing) from the wavelet decomposition significantly improves the accuracy of MSS estimation, done on the example of a thread phantom, and
2. thanks to an introduced the degree of the chaoticity of the structure - chaotic index - one can distinguish regularity of pseudo-periodic structure in liver tissue in vivo from the more chaotic structure of cancerous tissue.

Extremely Modular Systems: a new approach to the design of structures (habilitation seminar)

Extremely Modular System (EMS) is a family of concepts where assembly of congruent modules allows for creation of free-form structures. The four major advantages of EMSs are: economization (due to mass-production), deployability, reconfigurability and robustness (the modules which failed can be easily replaced, also if some fail, the system may still perform some desired tasks). The disadvantage of EMSs is that their assembly and control is non-intuitive, and rather difficult. In other words, the combination of non-trivial congruent units to form meaningful structures, or their kinematic actions formulated as discrete optimization problems, are computationally expensive. A number of alternative approaches have been studied, including: graph-theoretic methods and meta-heuristics.

Material and structure behavior under extreme conditions: Modeling and experimental approaches

Granice fazowe jako narzędzie do tworzenia materiałów o pożądanych właściwościach mechanicznych i funkcjonalnych

Dynamiczny rozwój bioniki stał się podstawą wielu przełomowych odkryć, również w dziedzinie inżynierii materiałowej. Interesujący przykład stanowią pancerze ochronne mięczaków doskonalone na drodze milionów lat ewolucji. Konfrontacja przeprowadzonych badań teoretycznych i eksperymentalnych ujawnia, że zwierzęta te tworzą muszle o unikalnych, złożonych mikrostrukturach kontrolując geometrię granic fazowych. Zdolność do pełnej eksploatacji korzystnych energetycznie granic sprawia, że materiały biogeniczne osiągają znacząco lepsze właściwości mechaniczne i funkcjonale w stosunku do syntetycznych odpowiedników. Te ostatnie charakteryzują się wysoko uporządkowaną strukturą, która ogranicza geometrię granic do kilku szczególnych postaci. Inspirując się koncepcją Natury możemy odpowiednie zaburzenia generować również w materiałach syntetycznych. Jednym z ciekawszych przykładów są stopy z magnetyczną pamięcią kształtu, w których poprzez modulowanie struktury uzyskuje się poprawę właściwości mechanicznych i funkcjonalnych.

Dual-scale modelling and 3D printing of an adaptive sound absorber

Porous materials are effective acoustic insulators. They possess superior acoustic damping properties due to a specific internal structure consisting of a solid skeleton and voids (pores) filled with fluid. During the seminar the idea of an adaptive sound absorber will be presented. The proposed material is a periodic porous medium with modifiable microgeometry so that its ability to absorb or insulate noise can be accommodated to different frequency ranges. It is made up of a simple microstructure with small smooth balls trapped inside certain pores. Its adaptive character follows from and is controlled by the actual position of the balls with respect to the governing direction of acoustic wave propagation. Depending on the configuration, the balls close different channels that connect the pores and therefore alter the visco-inertial phenomena between the saturating fluid and solid walls taking place at the microscale level. As a consequence, the values of the relevant macroscopic transport parameters are significantly influenced, whereas the porosity as well as thermal permeability, tortuosity and characteristic length remain intact. From the point of view of the overall sound propagation within the porous material, the induced change is crucial and entails substantial shifts in absorption peaks, among others. All this is studied numerically using an advanced dual-scale modelling, and the results are verified by the corresponding experimental tests of 3D-printed samples.

Dynamics of sedimenting elastic knotted loops

Chains of metal beads knotted to a topology of a torus knot, settling under gravity in a very viscous silicon oil, tend to stabilize in the form of extended, flat, tightly interwound loops. In this configuration they perform an oscillatory motion of the loops swirling periodically around each other. Owing to hydrodynamic similarity, micro-chains in water are expected to behave in the same way. Stokesian dynamics simulations of elastic fibers confirm the long-lasting character of the swirling motion and show also the accompanying rotation of the system. The main conclusion is that dynamics of topologically complex flexible microobjects in fluids can lead to formation of ordered structures. This finding is important for understanding centrifugation and sedimentation experiments with DNA, proteins or other biological systems. (M. Gruziel, K. Thyagarajan, G. Dietler, A. Stasiak, M. L. Ekiel-Jezewska, P. Szymczak, Physical Review Letters, 121, 127801, 2018.)

Formation of droplets at low values of the Capillary number in microfluidic T-junction

Although seemingly simple and widely used, formation of droplets in confinement of microfluidic channels has not yet been completely understood. Generation of confined droplets at low values of the Capillary number is described by the squeezing mechanism, which predicts the volume of a droplet to only be a function of the ratio of flow rates of the two immiscible liquids. Here we predict and experimentally verify a new regime of droplet formation, that we call ‘leaking’. By formally accounting for the flow around the droplets (leaking) through the corners of the channel, we unify the description of droplet formation at low values of the Capillary number.

Identyfikacja modelu ruchu samolotu wzbudzonego jednoczesnymi wymuszeniami multisine

Praca prezentuje wyniki identyfikacji modelu symulacyjnego samolotu F-16. Obiekt został wzbudzony jednoczesnymi wychyleniami lotek i steru wysokości za pomocą wymuszeń multisine. Estymację parametrów przeprowadzono przy użyciu charakterystyk częstotliwościowych. W celu oceny wyniku przeprowadzono także identyfikację za pomocą zasady największej wiarygodności oraz wykorzystano inny zbiór wymuszeń – sygnały świergotowe.

Analyses of fracture in concrete at meso-scale using DEM and X-ray micro-computed tomography

The concrete materials have a very complicated heterogeneous structure, changing from few nanometres (hydrated cement) to millimetres (aggregate). Therefore fracture which is a main phenomenon in these materials is an extremely complex process since consists of main macro-cracks with various branches, complementary cracks and micro-cracks. To date, however, very little is known about the intrinsic relationship between strength and fracture and particle characteristics and their quantitative influences on the macroscopic properties of concretes. During the seminar experimental and numerical tools for study of fracture process in concrete will be presented. A novel high-resolution micro-tomography system scans used as data source for numerical simulations of fracture with discrete element method will be described. A few examples of tomography scans presenting its abilities will be given. The experimental campaign on size effect in splitting tensile test will be compared with results of DEM simulations based on data extracted from CT scans. The deep analysis of fracture process: force chains, displacements, rotations and internal energies in fractured and non-fractured regions will lead to some conclusions.

Adaptacyjne sterowanie konstrukcji półaktywnych poddanych wymuszeniu o zmiennym charakterze z zastosowaniem do belki Eulera-Bernoulliego poddanej ruchomemu obciążeniu o zmiennej prędkości

Podczas seminarium zostanie zaprezentowany autorski algorytm stabilizacji konstrukcji poddanych zewnętrznym wymuszeniom o zmiennym charakterze. Algorytm sterowania bazuje na iteracyjnym pomiarze i identyfikacji liniowego modelu dynamicznego wymuszenia. Transformacja modelu z zewnętrznym wymuszeniem do przybliżonego modelu autonomicznego pozwala na wyznaczenie suboptymalnego prawa sterowania z wykorzystaniem wydajnych procedur numerycznych; szybkość ich wykonywania umożliwia natychmiastową aktualizację sterowania w wypadku wykrycia zmiany wymuszenia. Działanie algorytmu zostało zweryfikowane numerycznie poprzez symulację problemu stabilizacji półaktywnie sterowanej belki poddanej ruchomemu obciążeniu. Wyniki dla trzech scenariuszy przejazdu zostaną przedstawione wraz z porównaniem do sterowania pasywnego i optymalnego.

Demonstrator przenośnego ultradźwiękowego systemu Phased-Array z funkcją Full-Matrix Capture do badań nieniszczących

Ultradźwiękowe systemy Phased-Array (PA) umożliwiają detekcję i ocenę wad za pomocą wieloelementowych głowic ze skanowaniem elektronicznym. Zaawansowane metody kierowania wiązki oraz wizualizacji znacznie ułatwiają badania obiektów o skomplikowanej geometrii. Należy jednak pamiętać, że klasyczna metoda PA bazuje na tych samych zasadach fizycznych, co skanowanie standardowymi głowicami jednoelementowymi i posiada te same ograniczenia.
W naszym laboratorium pracujemy nad implementacją nowej klasy metod obrazowania UT, które wykorzystują technikę Full-Matrix Capture (FMC) oraz Total Focusing Method (TFM). Metody te dają zupełnie nowe możliwości rekonstrukcji obrazów wad i pozwalają na uzyskanie jednorodnej rozdzielczości poprzecznej w całej głębokości badania. W tym celu zbudowaliśmy demonstrator przenośnego systemu PA wyposażony w funkcje FMC i TFM. Akwizycja pełnej macierzy ech oraz przetwarzanie softwarowe na wbudowanym procesorze GPU (Nvidia Tegra) zapewniają duże możliwości przetwarzania i analizy sygnałów. Demonstrator jest wyposażony w 32-kanały akwizycji w konfiguracji 32:128 i współpracuje ze standardowymi głowicami PA firmy Olympus®.
Liczymy, że system znajdzie zastosowanie zarówno do realizacji prac badawczych dot. nowych metod badań nieniszczących, jak i do ich wdrażania w aplikacjach przemysłowych.

Drgania regularne i nieregularne kosteczek słuchowych człowieka

W prezentacji przedstawiony zostanie model matematyczny ucha środkowego człowieka w kilku wariantach. Jako pierwszy będzie to model ucha zdrowego, następnie uszkodzonego i zrekonstruowanego za pomocą klasycznych protez oraz protezy nowego typu wykonanej z materiału z pamięcią kształtu. Wyniki analiz teoretycznych będą skonfrontowane z rezultatami badań doświadczalnych.

Using Primal-Dual Interior Point Method to Determine Least-Weight Truss Layouts

We are concerned with solving challenging engineering problems arising in truss layout design. Such problems arise in the design of bridges, exoskeleton of tall buildings and large span roof structures. The problem is formulated as finding a structure which sustains a given set of applied loads and minimizes the overall weight of the structure. An excessive formulation of the problem involves huge number of possible interconnecting bars and defies any existing optimization software.
We propose to solve the problem by a specialized primal-dual interior point method. We use member generation technique to identify only a small subset of possible bars, those which are essential to guarantee desired structural properties. We exploit the algebraic structure of the problem and reduce the normal equations originating from the interior point algorithm to much smaller linear equation systems and apply the preconditioned conjugate gradient method to solve these systems. A special purpose preconditioner based on the mathematical properties of the problem is designed.
In the next step stability analysis of such obtained structures is performed. It involves positive semidefinite constraints and lifts the problem to another level of difficulty. Again a specially designed preconditioner combined with Krylov subspace method is applied to tackle the linear algebra subproblem.
All proposed methods have been implemented and applied to solve case studies originating from genuine engineering design problems. Computational results demonstrate the efficiency and robustness of the method.
This is joint work with Dr Alemseged Weldeyesus.

Koncepcja Materii Programowalnej - wyzwania z pogranicza mechaniki i informatyki

Materia Programowalna (ang. Programmable Matter) jest to klasa hipotetycznych układów (meta-materiałów) potrafiących w sposób programowalny zmieniać swój kształt w niemalże dowolnym zakresie. Obecnie najbardziej zaawansowane prace w tym kierunku wywodzą się z robotyki modułowej, gdzie rozpatrywane są układy składające się z dużej liczby niewielkich robotów, mogących się ze sobą łączyć/rozłączać, przemieszczać względem siebie oraz wymieniać między sobą informacje i je przetwarzać. Zmiana kształtu takiego konglomeratu robotów jest planowana i realizowana w sposób kolektywny jako zagadnienie rekonfiguracji (zmiany sieci połączeń oraz wzajemnego położenia robotów). W ramach seminarium przedstawię nasze podejście do projektowania tego typu rekonfigurujących się struktur oraz do tworzenia rozproszonych algorytmów planowania rekonfiguracji.

Nonlinear Dynamics and Design of Vibration Harvester-Absorber System

This presentation shows a novel harvester-absorber system (HAS) that uses magnetic levitation (maglev) in order to recover energy. The energy harvester is mounted in a pendulum which plays a dynamic absorber role. The non-linearity of the magnetic field suspension exhibits a hardening Duffing’s characteristics. A new model of an electromechanical coupling which depends on a magnet position in a coil is proposed. Theoretical investigations are followed by a seri

Unveiling complexity of church bells dynamics using experimentally validated hybrid dynamical model

Church bells can be found all over the world and despite they are one of the oldest musical instruments there are still many open problems. We investigate the dynamics of the yoke-bell-clapper impacting system using a nonlinear hybrid dynamical model, which is verified experimentally. Having proved that the model is a reliable predictive tool we present a plethora of different dynamical behaviours that can be observed in the considered system. We highlight the solutions that can be considered as a proper working regimes of the instrument and describe how to obtain them. Detailed bifurcation analysis using the path-following methiod allow us to present how the design of the yoke and propulsion mechanism influence the response of the system. Presented results prove the feasibility of the developed model and demonstrate the importance of nonlinear analysis in practical engineering applications.

Diagnostyka i monitorowanie integralności struktury konstrukcji lotniczych --- wyzwania i stan techniki

W trakcie wystąpienia przedstawione zostanie podejście do diagnostyki i oceny stanu technicznego konstrukcji lotniczych obejmujące diagnostykę nieniszczącą jako podejście periodyczne oraz ciągłe z wykorzystaniem czujników in-situ. Kolejnym aspektem będzie problematyka diagnozowania konstrukcji kompozytowych i modeli ich uszkadzania. Finalnie przedstawione zostanie podejście do analizy sygnałów z wykorzystaniem modeli regresji oraz sieci czujników danych.

Optymalizacja topologii struktur sprężystych z wykorzystaniem nowoczesnych metod heurystycznych

Optymalizacja topologiczna jest jedną z dynamicznie rozwijających się gałęzi optymalizacji konstrukcji zarówno pod względem teoretycznym, jak i zastosowań w rozwiązaniach inżynierskich. Swój sukces zawdzięcza między innymi postępowi w zakresie rozwijania nowoczesnych metod numerycznych stosowanych w optymalizacji. Współczesne metody, często oparte na heurystykach, pozwalają w krótkim czasie rozwiązywać problemy optymalizacji topologicznej równie efektywnie co tradycyjne metody gradientowe a równocześnie są proste w implementacji numerycznej i zazwyczaj nie wymagają dużej mocy obliczeniowej. Prezentacja ma na celu przybliżenie jednej z metod heurystycznych, której koncepcja opiera się na schemacie działania automatu komórkowego. Istotną rolę w zastosowanym ujęciu mają reguły uaktualniania wartości zmiennych decyzyjnych. W pracy zostaną przedstawione oryginalne reguły uaktualniania, które okazały się efektywne w zastosowaniu do szerokiej klasy problemów optymalizacji topologii płaskich i przestrzennych struktur sprężystych. Poruszone zostaną takie problemy jak optymalizacja topologiczna z wykorzystaniem nieregularnych siatek komórek, optymalizacja struktur wielomateriałowych, generowanie topologii struktur narażonych na utratę stateczności, optymalizacja topologiczna z udziałem obciążeń masowych, generowanie topologii w wybranych obszarach konstrukcji czy zastosowanie technik optymalizacyjnych w problemach naprawy i rekonstrukcji (retrofitting) elementów budowli architektonicznych.

Dynamika wirujących cienkościennych belek kompozytowych

W wystąpieniu omówiono dynamikę układu wirnika składającego się ze sztywnej piasty i dołączonych cienkościennych belek o profilu zamkniętym wykonanych z laminatów wielowarstwowych. W pierwszej części referatu omówiono zaproponowany model matematyczny belek wysięgnikowych. W ujęciu tym uwzględniono m.in. kierunkowe własności kompozytu, efekt deformacji postaciowej materiału, a także deplanację przekroju poprzecznego belki w wyniku nieswobodnego skręcania profilu.
W drugiej części wystąpienia przedstawiono analizę trzech wybranych zagadnień dynamiki konstrukcji z zastosowaniem opracowanego modelu matematycznego. W pierwszej kolejności omówiono dynamikę wirnika wykonującego ruch obrotowy z dodatkowym wymuszeniem ruchem postępowo-zwrotnym osi piasty. Wyznaczono obszary rozwiązań stabilnych i niestabilnych charakterystyczne dla drgań parametrycznych występujących w tego typu układach. W drugim przykładzie omówiono dynamikę wirnika trójłopatowego z niewielkim rozstrojeniem częstości własnych poszczególnych łopat. W obliczeniach przyjęto, że zmiany własności mechanicznych belek są wynikiem odchyłek kąta ułożenia włókien laminatu od założonych wartości nominalnych. Jako trzeci przykład przedstawiono możliwości aktywnej redukcji drgań łopat wirnika. W tym celu rozważano belki z osadzoną dodatkową warstwą materiału piezoelektrycznego. W obliczeniach przyjęto model matematyczny piezoelementu aktywnego o pełnym (tj. dwukierunkowym) sprzężeniu zwrotnym pola elektrycznego i pola deformacji mechanicznej. W przeprowadzonych symulacjach numerycznych badano efektywność wykorzystania kontrolera nasyceniowego do tłumienia drgań belek wirnika wymuszanego okresowo zmiennym momentem napędowym.

Modelowanie przepływów dwufazowych (płyn z cząstkami ciała stałego) oraz procesów rozdrabniania zachodzących w młynie wentylatorowym

Prezentacja dotyczyła będzie symulacji zjawisk zachodzących w prototypowym młynie wentylatorowym służącym do udarowego rozdrabniania rudy miedzi. Urządzenie to zostało zaprojektowane i wykonane w wyniku realizacji przez IPPT PAN badawczo-rozwojowego projektu CuBR I/3 współfinansowanego przez NCBiR oraz firmę KGHM Polska Miedź S.A. Prototypowy młyn wentylatorowy powstały w wyniku projektu ma docelowo zastąpić młyny kulowe aktualnie stosowane w przemyśle miedziowym. Ze względu na złożoność procesów zachodzących w młynie wentylatorowym oraz duże prędkości cząstek rudy miedzi zaproponowana metoda projektowania oparta była na wykorzystaniu zaawansowanego modelu numerycznego uwzględniającego przepływ dwufazowy oraz zjawiska rozdrabniania. Dzięki przeprowadzonym symulacjom numerycznym uzyskano wiedzę na temat przebiegu procesów fizycznych zachodzących wewnątrz młyna, co umożliwiło optymalny dobór jego prędkości oraz podstawowych parametrów konstrukcyjnych. Podczas prezentacji omówione zostaną metody symulacji przepływu wielofazowego przy użyciu ciągłego płynu z dyskretnymi cząsteczkami, ciągłego płynu z ciągłym granulatem oraz przedstawiona zostanie metoda symulowania zjawiska rozdrabniania.

Analiza energochłonności cienkościennych struktur hybrydowych oraz z karbami inicjującymi optymalną postać zgniotu

Główne punkty prezentacji:
Wymagania dotyczące energochłonności absorberów energii
Miary energochłonności
Przedmiot analizy: cienkościenne frusta hybrydowe (wypełniane pianą) oraz cienkościenne pryzmatyczne pręty z karbami
Wyniki analizy energochłonności (symulacje numeryczne)
Analiza doświadczalna
Wnioski końcowe dotyczące stosowalności różnych miar efektywności absorberów
W prezentacji przedstawione będą wyniki analizy teoretycznej i doświadczalnej efektywności pochłaniania energii w warunkach szybkiego zgniotu cienkościennych struktur hybrydowych i z karbami inicjującymi optymalną postać zgniotu. Omówione będą miary efektywności absorberów energii. Następnie przedstawione będą wyniki analizy efektywności pochłaniania energii w wymienionych wyżej strukturach poddanych działaniu obciążeń dynamicznych (szybkiego zgniotu) otrzymane na podstawie symulacji numerycznych i badań doświadczalnych, przy zastosowaniu różnych miar efektywności.

Optymalne projektowanie technicznych modułów sprężystości

Referat dotyczy zastosowania metody swobodnego projektowania własności sprężystych materiału (ang. Free Material Design – FMD) w zadaniu minimalizacji podatności konstrukcji inżynierskich. Zmienną decyzyjną zadania jest pole tensorowe sztywności materiału. Optymalne składowe pola określa się niezależnie w każdym punkcie obszaru projektowego z uwzględnieniem ograniczenia narzuconego na średnią wartość funkcji niezmienników tensora Hooke’a; zwykle przyjmuje się funkcję śladu wyrażoną za pomocą modułów Kelvina. Prezentowane w referacie ujęcie FMD bazuje na znanej z prac J. Ostrowskiej-Maciejewskiej i J. Rychlewskiego koncepcji uogólnionych stanów własnych i stowarzyszonych z nimi uogólnionych wartości własnych. Takie podejście stanowi punkt wyjścia zadania optymalizacji technicznych modułów sprężystości. Szczegółowo omawiane w referacie zadanie swobodnego projektowania modułu Younga przybiera wspólną dla wszystkich dotychczas zbadanych zagadnień FMD postać zadania minimalizacji funkcjonału o liniowym wzroście, wyrażonego w postaci całki z funkcji tensora naprężenia i parametryzowanego anizotropowymi współczynnikami Poissona. W przypadku współczynników równych zeru zadanie redukuje się do zadania A.G.M. Michella dotyczącego przeniesienia danego obciążenia do danych podpór za pomocą układu nośnego o minimalnym ciężarze.

Hot plasmonic nanomaterials: from agile photonics to nanomedicine

Plasmonic nanoparticles (NPs) have the unique capability to confine an electromagnetic radiation at the nanoscale through a phenomenon called localized plasmonic resonance (LPR). Plasmonic NPs can also behave as nano-sized sources of heat when pumped sufficiently with resonant radiation due to the Joule effect generated by the photo-induced electrical current. The photo-thermal properties of NPs have been historically considered a drawback because they have contributed to the intrinsic losses of plasmonic-based devices. Recently, scientists have realized that this effect provides compelling opportunities ranging from electronics to medicine due to the unique possibility to concentrate an incredible amount of heat at the nanoscale. In this talk, I will overview the fascinating and unique properties of plasmonic NPs as light triggered “hot” nano-vehicles. In this framework, plasmonic NPs have been combined with thermotropic liquid crystals for realizing light sensitive photonic devices and with bio-materials (DNA, cancer cells and bacteria) for realizing minimally invasive bio-medical applications. Finally, I will track down a wonderful roadmap for making the upcoming year(s) brilliant and shining from a multidisciplinary and cooperative scientific research standpoint.

Wybrane Algorytmy Rekonstrukcji Obrazu Ultradźwiękowego w Nowoczesnej Ultrasonografii 3D / 4D

Badania ultrasonograficzne są obecnie powszechnie stosowane w diagnostyce medycznej oraz w terapii szeregu chorób ze względu na niski koszt badań, elastyczność, szybkość, nieinwazyjny charakter, ogólną dostępność oraz bezpieczeństwo dla pacjentów. Szeroki zakres zastosowań oraz popularność badań USG i procedur diagnostycznych wykonywanych w obrazowaniu ultrasonograficznym stworzyły zapotrzebowanie na nowy typ aparatury: mniejszej, bardziej dostępnej i przeznaczonej dla szerszego grona odbiorców, w tym mniej wykształconego personelu służby zdrowia. Ponadto, zwiększenie mocy obliczeniowej przenośnych urządzeń ultrasonograficznych pozwala oczekiwać na ich zastosowanie do obrazowania trójwymiarowego (3D) w czasie rzeczywistym (4D) w najbliższych latach. Jednak wykonanie takiego urządzenia, które pozwoliłoby uzyskać obrazowanie 3D wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym jest niezmiernie skomplikowane technologicznie. Wśród wyzwań można wymienić następujące:
- elektronika układów nadawczo-odbiorczych
- technologia przetworników 2D
- połączenie przetwornika 2D (tysiące pojedynczych elementów) do obwodów nadawczo-odbiorczych
- ograniczenie poboru mocy przenośnych urządzeń małogabarytowych,
- gromna ilość danych wejściowo-wyjściowych
- szybkie oraz efektywne algorytmy rekonstrukcji obrazu ultradźwiękowego 3D/4D.
Seminarium będzie poświęcone w szczególności temu ostatniemu zagadnieniu nowoczesnej ultrasonografii.

O topologicznej optymalizacji kratownic z zastosowaniem metod konstrukcji bazowych

Każde zadanie optymalizacji można sformułować na różne sposoby, które formalnie są równoważne w tym sensie, że prowadzą do tego samego rozwiązania. Różne sformułowania mogą wymagać różnych metod optymalizacyjnych i prowadzą na ogół do zadań o różnym stopniu złożoności i czasie wykonania. W niniejszym referacie skupimy uwagę na rozwiązywaniu zadań topologicznej optymalizacji kratownic z zastosowaniem metod konstrukcji bazowych. Rozwiązania uzyskane w ten sposób dają bardzo dobre przybliżenia kratownic Michella, jednak pod warunkiem zastosowania odpowiednio gęstej siatki węzłów i prętów, co nieuchronnie prowadzi do wielkoskalowych zadań optymalizacji. Zadania te są zwykle zbyt duże dla tradycyjnych metod optymalizacji i wymagają zastosowania specjalnych technik rozwiązywania. One właśnie będą głównym tematem niniejszego referatu. Przedstawione też zostaną nowe ścisłe rozwiązania wybranych zadań Michella uzyskane w oparciu o rozwiązania numeryczne.

Obiekt funkcyjny w architekturze oprogramowania MES z zastosowaniem do optymalizacji topologicznej konstrukcji

Optymalizacja topologii konstrukcji jest obecnie powszechnie stosowanym narzędziem w projektowaniu inżynierskim. Do praktycznego zastosowania optymalizacji topologicznej wymagana jest znajomość efektywnych algorytmów obliczeniowych wymieniając choćby: modyfikację siatki elementów skończonych, agregację stycznej macierzy sztywności, jak i bezpośrednich czy iteracyjnych solwerów. Wielokrotne wywoływanie obliczeń MES w optymalizacji powoduje zwiększone zapotrzebowanie na moc obliczeniową. Powyższe względy sprawiają, iż niezbędne staje się opracowanie architektury kodu MES pod kątem efektywnego rozwiązywania zadań optymalizacji topologicznej.
Zdaniem Autorów rozwiązaniem powyższych kwestii może być implementacja MES przy użyciu obiektów funkcyjnych tzw. funktorów. Posiadają one szereg zalet, które szczegółowo omówione zostaną w trakcie prezentacji. Ponadto efektywność zastosowanego podejścia zilustrowana zostanie przykładami optymalizacji topologicznej konstrukcji wykonanych zarówno z materiałów sprężystych jak i sprężysto-plastycznych.

Nieliniowe zjawiska falowe w ciągłych i dyskretnych układach mechanicznych

Ultradźwiękowe fale sprężyste są szeroko wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki i techniki, zarówno w kontekście nośnika informacji jak i czynnika wykonawczego. Analiza zjawisk towarzyszących propagacji fal w strukturach mechanicznych umożliwia ich wykorzystanie w procesie projektowania nowych materiałów o pożądanych właściwościach dynamicznych. Dzięki możliwości wpływania na charakterystyki spektralne układów mechanicznych poprzez manipulację cech geometrycznych i strukturalnych, jak również wykorzystanie nieliniowych cech pól falowych, możliwe jest wspomaganie oraz realizacja różnorodnych założeń funkcjonalnych, zadań szeroko pojętej diagnostyki konstrukcji jak również implementacja elementów logiki falowej.
W prezentacji przedstawione zostaną metody wyznaczania i analizy charakterystyk spektralnych dla ciągłych i dyskretnych układów mechanicznych, w szczególności w kontekście propagacji prowadzonych fal sprężystych. Omówione zostaną charakterystyki dyspersji oraz wzbudzalności fal prowadzonych oraz ich zależność od cech geometrycznych i strukturalnych falowodów, zarówno dla układów liniowych i nieliniowych. W tej perspektywie przedstawione zostaną możliwości wykorzystania wybranych metod analizy oraz zjawisk falowych w projektowaniu konstrukcji oraz ocenie ich stanu. Ponadto, jako szczególny przypadek układów dyskretnych, omówione zostają własności spektralne wybranych modeli numerycznych powszechnie wykorzystywanych w procesie projektowania dynamcznych układów mechanicznych.

Czynniki umożliwiające kształtowanie właściwości materiałów kompozytowych o osnowie metalowej wzmacnianych fazą ceramiczną

Zagadnienia związane z projektowaniem i wytwarzaniem nowych materiałów stanowią siłę napędową determinującą rozwój współczesnego świata. Szczególnie ważną grupę materiałów stanowią materiały kompozytowe, a wśród nich kompozyty metalowo-ceramiczne. Właściwości metalowo-ceramicznych materiałów kompozytowych zależą od rodzaju materiału osnowy i jego udziału objętościowego, a w głównej mierze od rodzaju, postaci, rozmiaru, orientacji oraz sposobu rozmieszczenia fazy wzmacniającej w kompozycie.
W celu otrzymania odpowiednich właściwości materiałów wytwarzanych technikami metalurgii proszków należy zapewnić przede wszystkim: (i) uzyskanie jednorodnego rozmieszczenia fazy wzmacniającej w osnowie, (ii) ograniczenie bądź wyeliminowanie porowatości resztkowej w strukturze kompozytów po procesie spiekania, (iii) uformowanie trwałego połączenia na granicy metal-ceramika.
Na podstawie wybranych przykładów przedstawione zostaną trzy grupy czynników, którymi można sterować pod kątem optymalizacji struktury i właściwości materiałów wielofazowych. Omówiony zostanie wpływ czynników związanych z technologicznymi parametrami procesu wytwarzania, morfologią składników wyjściowych, jak i ich składem chemicznym. Zaprezentowane zostaną możliwości praktycznego zastosowania wybranych materiałów kompozytowych.

Analiza dynamiczna działania przemysłowej maszyny wirnikowej napędzanej silnikiem elektrycznym

Obiektem analizy dynamicznej jest napędzany silnikiem asynchronicznym laboratoryjny młyn wentylatorowy służący do udarowego rozdrabniania rudy miedzi. Urządzenie to powstało w wyniku realizacji przez IPPT PAN badawczo-rozwojowego projektu CuBR I/3 współfinansowanego przez NCBiR oraz firmę KGHM PM. S.A. Ze względu na szybkoobrotowy, wysoce dynamiczny charakter działania, urządzenie to w fazie projektowania musiało zostać poddane szczegółowej analizie dynamicznej i wytrzymałościowej. Celem prezentacji jest przedstawienie wyników wyznaczania naprężeń w najbardziej odpowiedzialnych elementach maszyny wywoływanych dynamicznym zginaniem, skręcaniem i rozciąganiem. Ponadto, dla ustalonych i nieustalonych warunków działania młyna, przy wykorzystaniu zaawansowanych technik sterowania, zostaną zaprezentowane rezultaty oddziaływania elektromechanicznego pomiędzy silnikiem elektrycznym i układem napędzanym z punktu widzenia stabilności i niezawodności pracy urządzenia.

Wybrane aspekty optymalizacji składu chemicznego oraz procesu wytwarzania stopów z pamięcią kształtu na bazie tytanu w kontekście dorobku Prof. Shuichi Miyazaki; University of Tsukuba

Znane od lat 60-tych XX wieku i często stosowane w technice i medycynie stopy z pamięcią kształtu (SMAs) przeszły długą drogę rozwoju, w której istotny udział miał i ma nadal prof. Shuichi Miyazaki, University of Tsukuba, Japonia. Imponujący dorobek naukowy (liczba cytacji 11 472, indeks Hirsha 56), współpraca naukowa z IPPT PAN (wspólne publikacje m.in. z prof. B. Ranieckim, prof. L. Dietrichem, prof. Z. Kowalewskim) oraz poświęcony prof. S. Miyazakiemu numer czasopisma Shape Memory and Superelasticity, No. 40830, 2017, a w szczególności artykuł jego autorstwa My Experience with Ti–Ni-Based and Ti-Based Shape Memory Alloys skłoniły nas do przygotowania Seminarium. Badania unikatowych właściwości SMAs, w tym efektu pamięci kształtu i supersprężystości, cieszą się dużym zainteresowaniem środowiska naukowego, wpływając na dynamicznie rosnącą liczbę publikacji oraz systematyczny wzrost liczby patentów w tej tematyce. Zakres seminarium obejmie przegląd wyników badań zespołu prof. Shuichi Miyazaki w kontekście optymalizacji składu chemicznego oraz procesu wytwarzania SMAs na bazie tytanu, prowadzących do otrzymania odpowiednich właściwości mechanicznych oraz biozgodnych, w kierunku zastosowań medycznych i przemysłowych.

Sample-based approach - the new concept of studying of the multistability

The talk is focused on the new concept "basin stability method" which is one of the sample-based approach methods for analysis of the complex, multidimensional dynamical systems. The investigated method is a reliable tool for the analysis of dynamical systems and it has a significant advantages which make it appropriate for many applications. The sample-based approach offers comparable precision to the classical method of analysis. However, it is much simpler to apply and can be used despite the type of dynamical system and its dimensions. We show the first broad experimental confirmation of the basin stability approach. We study theoretically and experimentally the dynamics of a forced double pendulum. We examine the ranges of stability for nine different solutions of the system in a two parameter space, namely the amplitude and the frequency of excitation. We apply the path-following and the extended basin stability methods (Brzeski et. al., Meccanica 51(11), 2016) and we verify obtained theoretical results in experimental investigations.

Rule-based modeling of biomolecular site dynamics on surfaces

Rule-based modeling is a powerful approach for studying biomolecular site dynamics. During the seminar I will present SPATKIN, a general-purpose simulator for rule-based modeling in two spatial dimensions. The simulation algorithm is a lattice-based method that tracks Brownian motion of individual molecules and the stochastic firing of rule-defined reaction events. Because rules are used as event generators, the algorithm is network-free, meaning that it does not require to generate the complete reaction network implied by rules prior to simulation. In a simulation, each molecule is taken to occupy a single lattice site that cannot be shared with another molecule. SPATKIN is capable of simulating a wide array of membrane-associated processes, including adsorption, desorption and crowding.

Obliczenia równoległe w robotyce mobilnej

Obliczenia równoległe znajdują coraz szersze zastosowanie w robotyce mobilnej. Mając na uwadze fakt, że minęła już dekada odkąd technologia CUDA (ang. Compute Unified Device Architecture) jest dostępna na rynku, obserwuje się znaczny rozwój algorytmów wykorzystujących masowe obliczenia równoległe do przetwarzania danych lidarowych oraz video. Wyniki tych prac znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach jak geodezja, robotyka mobilna czy też szeroko rozumiana informatyka. W ramach referatu przedstawione zostaną postępy autorskich prac nad opracowaniem bezzałogowych systemów mapowania 3D. Omówiona zostanie autorska biblioteka programowa do tworzenia HD maps (High Definition maps) oraz lokalizacji pojazdu w tej mapie. Przedstawiony zostanie nowy czujnik RGBD oraz rozwiązanie problemu złożoności obliczeniowej przetwarzania danych z zastosowaniem obliczeń równoległych.

Metoda pola fazowego w modelowaniu przemian martenzytycznych: równania ewolucji i dyssypacja energii

Rate-independent dissipation is introduced into the phase-field framework for modelling of displacive transformations, such as martensitic phase transformation and twinning. Our recent finite-strain phase-field model is extended beyond the limitations of the classical, purely viscous dissipation. The variational formulation, in which the evolution problem is formulated as a constrained minimization problem for a global rate-potential, is enhanced by including a mixed-type dissipation potential that combines viscous and rate-independent contributions. Effective computational treatment of the resulting incremental problem of non-smooth optimization is developed by employing the augmented Lagrangian method. It is demonstrated that a single Lagrange multiplier field suffices to handle the dissipation potential vertex and simultaneously to enforce physical constraints on the order parameter. In this way, the initially non-smooth problem of evolution is converted into a smooth stationarity problem. The model is implemented in a finite-element code and applied to solve two- and three-dimensional boundary value problems representative for shape memory alloys.

Prawo Vegarda dla kryształów o niskiej symetrii

Analizowana jest niezmienniczość prawa Vegarda ze względu na wybór konfiguracji odniesienia (referencyjny kryształ) jak również ze względu na wybór miary odkształcenia. Na przykładach praktycznych (In_xGa_1-xN, Mg_xCu_3-xV₂O₈) pokazano, jak niewłaściwy wybór miary odkształcenia wpływa na zależność przewidywanych parametrów krystalograficznych sieci roztworu stałego od wyboru konfiguracji odniesienia.

Identyfikacja stopnia uszkodzenia materiałów poddawanych obciążeniom cyklicznym – osiągnięcia i nowe wyzwania

Pomimo faktu istnienia wielu technik oceny uszkodzenia materiałów oraz elementów konstrukcyjnych, nadal pewne zjawiska nie zostały w tym zakresie w pełni rozpoznane i wymagają dalszych intensywnych prac badawczych. Ocena uszkodzenia wskutek obciążeń cyklicznych należy do tych zagadnień.
W większości przypadków uszkodzenia zmęczeniowe mają charakter lokalny, prowadzący do rozwoju pęknięć pojawiających się wokół defektów strukturalnych lub karbów geometrycznych. Identyfikacja takich obszarów i monitorowanie uszkodzeń wymaga pełno-polowych pomiarów przemieszczenia. W prezentacji zostaną przedstawione próby zastosowania metod optycznych (ESPI oraz DIC) do oceny stopnia uszkodzenia i monitorowania stanu materiałów poddawanych obciążeniom zmęczeniowym, pracujących w elementach energetycznych lub związanych z transportem samochodowym.
Część wykładu zostanie poświęcona analizie uszkodzenia zmęczeniowego z wykorzystaniem metod nieniszczących ze szczególnym uwzględnieniem technik magnetycznych, które dają zupełnie nowe możliwości identyfikacji uszkodzenia, jak i rodzaju procesu deformacyjnego.

Matematyczny model ścieżek sygnałowych regulujących nieswoistą odpowiedź immunologiczną

Łącząc techniki eksperymentalne i modelowanie matematyczne, wykazaliśmy, że sprzężenia zwrotne pomiędzy ścieżkami IRF3, NF-κB i STAT prowadzą do binarnej odpowiedzi na poly(I:C) oraz dynamicznie odmiennej, pulsowej odpowiedzi na LPS. W odpowiedzi na LPS aktywowana jest ścieżka NF-κB, natomiast w odpowiedzi na poly(I:C) aktywowana jest zarówno ścieżka NF-κB, jak i IRF3. Jednoczesna aktywacja obu ścieżek jest konieczna do syntezy interferonu β (IFNβ), który następnie aktywuje ścieżkę STAT. STAT z kolei stabilizuje aktywację NF-κB i IRF3. Część komórek w odpowiedzi na infekcję wydziela IFNβ, który przygotowuje sąsiednie komórki do szybkiej odpowiedzi na kontakt z wirusem. Komórki te szybciej ulegają apoptozie, co ogranicza rozprzestrzenianie się wirusa. W ten sposób odpowiedź jest koordynowana na poziomie populacji komórek.
Czerkies M, Korwek Z, Prus W, Kochańczyk M, Jaruszewicz-Błońska J, Tudelska K, Błoński S, Kimmel M, Brasier AR, Lipniacki T. Cell fate in antiviral response is decided in the crosstalk of the IRF, NF-κB and JAK/STAT pathways, Nature Communications (accepted).

Dislocation multiplication and work-hardening in continuum dislocation dynamics

Within the last years, continuum dislocation dynamics (CDD) has been turned from a kinematic concept to describe moving curves into a statistical continuum theory of dislocations. However, CDD is as yet mostly developed for single slip, when dislocation multiplication is driven by loop expansion without creating new loops. This restricts the applicability of CDD to small scales and moderate strains (stage I), while stage II hardening, is not yet covered.
In the current talk I shall provide a brief review of CDD theory and will discuss recent progress towards modelling of disocation multiplication and annihilation in CDD. In both cases the topology of the dislocation network changes, which contributes to source terms in a density variable whose integral represents a topological invariant in classical CDD theory -- while the density variables change as a consequence of the topological changes. The CDD modelling efforts will also be reviewed in the light of recent discrete dislocation dynamics analyses of topology changes in dislocation networks during plastic deformation.

Lattice Materials - wielki potencjał i twarde ograniczenia

W ostatnich latach lawinowo wzrosło zainteresowanie technologiami druku 3D, przy czym najwięcej uwagi badaczy i inżynierów przyciągają w tym kontekście tzw. materiały siateczkowe (Lattice Materials, LM). W literaturze naukowej oraz doniesieniach ze świata przemysłu postuluje się możliwość wszechstronnego ich zastosowania, m.in. w super-lekkich konstrukcjach nośnych, absorberach energii, kompaktowych wymiennikach ciepła, filtrach mechanicznych i elektromagnetycznych oraz implantach tkankowych. Teoretyczny potencjał związany z prawie nieograniczoną swobodą projektowania struktur LM w skali mili- i mikro- musi być jednak skonfrontowany z rzeczywistymi ograniczeniami. W aspekcie mechanicznym wynikają one m.in. z mechaniki wytrzymałości na poziomie pojedynczych belek i węzłów, oraz praw skalowania E~ρ, a także z uwarunkowań technologicznych i ekonomicznych. Autor porządkuje fakty, zwracając uwagę na niektóre częste błędy w podejściu do LM. Korzystając z doświadczeń własnych oraz doniesień z innych ośrodków sugeruje również najbardziej prawdopodobne kierunki dalszego rozwoju w tej ciekawej dziedzinie.

Damage localization and quantification in skeletal structures

Impact induced damage assessment by means of Lamb wave image processing

The aim of this research is an analysis of full wavefield Lamb wave interaction with impact-induced damage at various impact energies in order to find out the limitation of the wavenumber adaptive image filtering method. In other words, the relation between impact energy and damage detectability will be shown. A numerical model based on the time domain spectral element method is used for modeling of Lamb wave propagation and interaction with barely visible impact damage in a carbon-epoxy laminate. Numerical studies are followed by experimental research on the same material with an impact damage induced by various energy and also a Teflon insert simulating delamination. Wavenumber adaptive image filtering and signal processing are used for damage visualization and assessment for both numerical and experimental full wavefield data. It is shown that it is possible to visualize and assess the impact damage location, size and to some extent severity by using the proposed technique.

Modelowanie uszkodzeń struktur tkankowych układu ruchu pod wpływem silnych obciążeń impulsowych

Seminarium dotyczy problematyki modelowania tkanek układu ruchu człowieka obciążonych dużymi obciążeniami impulsowymi. Badania dotyczą identyfikacji wytężenia tkanek istotnych z punktu widzenia funkcjonowania układu ruchu ciała ludzkiego pod działaniem obciążeń o znacznej amplitudzie i krótkim czasie działania impulsu. Analiza dotyczy sposobu, w jaki energia generowana podczas uderzenia w dany segment ciała ulega dyssypacji oraz czy prowadzi do powstania uszkodzeń. Badania przeprowadzono na przykładzie żołnierza znajdującego się w pojeździe wojskowym, pod którym detonowany jest ładunek IED. W wyniku oddziaływania fali uderzeniowej generowana energia przenoszona jest do poszczególnych części ciała poprzez odkształcenie podłogi, drgania elementów konstrukcyjnych siedziska oraz przyspieszenia wywołanego przemieszczaniem się pojazdu podczas wybuchu. Głównymi elementami ciała żołnierza, dla których występuje wysokie ryzyko urazu są: głowa, odcinek szyjny i odcinek lędźwiowy kręgosłupa, miednica oraz kończyny dolne. Przeprowadzono analizę numeryczną struktur tkankowych głowy w obrębie zarówno tkanki kostnej czaszki, jak i stopnia ryzyka uszkodzenia mózgu. Dokonano analizy wpływu stosowanych systemów ochrony na ryzyko powstawania urazów, w tym przeprowadzono identyfikację skutków oddziaływania silnych przyspieszeń na struktury wewnętrzne tkanek mózgowych. W dalszej części, dokonano analizy wytężenia struktur wewnętrznych kręgosłupa po wpływem obciążeń kompresyjnych. Określono ryzyko powstawania uszkodzeń na podstawie biomechanicznej analizy propagacji obciążenia w kolejnych segmentach kręgosłupa, w tym przeanalizowano potencjalne zagrożenia płynące ze stosowania pasów bezpieczeństwa w warunkach osiowych przeciążeń. Jednym z istotnych elementów konstrukcyjnych pojazdów mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo pasażerów jest siedzisko.
Istotna z punktu widzenia ochrony pasa miednicy jest analiza wpływu parametrów siedziska na bezpieczeństwo i urazowość ich struktur wewnętrznych. Dokonano analizy mającej na celu uzyskanie odpowiedzi, w jakim stopniu własności siedziska wpływają na zmniejszenie skutków przeciążeń i urazów w obrębie pierścienia miednicy, stawu biodrowego oraz odcinka lędźwiowego kręgosłupa.
Jednym z kluczowych aspektów bezpieczeństwa pasażerów jest również identyfikacja skutków silnych obciążeń wywołanych wybuchem na struktury tkankowe kończyn, w tym głównie stawu skokowego i stopy. W kontekście silnych obciążeń generowanych podczas wybuchu IED, przeanalizowano ryzyko powstania urazów zarówno w obrębie tkanek miękkich jak i elementów układu szkieletowego tj. kości, stawy, a także przeprowadzono analizę skuteczności ochrony wybranych środków przeciwdziałania uszkodzeniom tkanek.
Prezentowane podczas wykładu rozważania powstały na bazie badań zespołu pracującego pod kierunkiem prof. R. Będzińskiego, którego autorskie modele zostały sprawdzone i zweryfikowane na podstawie dostępnych w literaturze danych i wyników badań doświadczalnych.

On the modeling of sharp and diffuse material interfaces – variational formulations

The outstanding properties of many novel materials such as TRIP-, TWIP- or nanocrystalline steels are defined by the involved material interfaces. From a modeling point of view, material interfaces can be subdivided into sharp interfaces and diffuse interfaces. While sharp interfaces are characterized by a zero thickness, a finite thickness is considered in diffuse interfaces.
Within this talk, a general framework for non-coherent sharp interfaces is presented first – i.e., interfaces at which the tractions as well as the deformation may be discontinuous. In contrast to previous works, the advocated geometrically exact framework is consistent with all physical fundamental principles such as with balance of angular momentum – in contrast to the classic cohesive zone model.
Within the second part of the talk, the sharp interfaces are approximated by phase field theory, i.e., focus is on diffuse interfaces. Based on enforcing kinematic and static compatibility across the interface, a new homogenization method for the bulk energy within the diffuse interface is elaborated. The advantages of this method compared to classical homogenization assumptions such as Reuss/Sachs or Voigt/Taylor are highlighted – both from a physics as well as from a numerics point of view.

Czujniki oparte o nanostruktury węgla w diagnostyce konstrukcji

Z powodu swoich wyjątkowych właściwości elektrycznych, nanorurki węglowe zyskały zainteresowanie i zastosowanie w szerokopasmowych materiałach sensorycznych. Wiele badań poświęconych jest technologii produkcji, własnościom i zastosowaniom kompozytów z dodatkiem nanorurek węglowych w osnowach polimerowych w celu monitorowania odkształcenia. Dostępnych jest wiele prac symulacyjnych badających zachowanie takich materiałów zarówno w skali nano jak i makro. Nieliczne są jednak badania łączące zarówno skale problemu (nano oraz makro) jak i wielodziedzinowość (elektryczną oraz mechaniczna) takich struktur. Podczas seminarium przedstawiony zostanie bieżący stan badań oraz wyniki Prelegenta w dziedzinie modelowania i wytwarzania struktur sensorycznych opartych o nanomateriały węglowe oraz ich potencjalne zastosowania w zakresie diagnostyki konstrukcji.

Light and nanomechanics: biological applications

Optical tweezers (OT) can be applied to perform measurements of very small forces, well below the force range of Atomic Force Microscope (AFM). Since stiffness of the trap is very low, trapped bead moves within small volume in Brownian-like type of motion. OT with fast positional detector is called Photonic Force Microscope (PFM).
We designed the PFM connected to haptic (force feedback) joystick, where we can feel in real time stiffness in 3D. Preliminary results of stiffness measurements, using 240nm beads inside the living cells will be shown [1].
Development of tunable Infrared (IR) lasers allowed to perform IR spectroscopy at nanoscale. Using AFM, thermal expansion of the sample caused by absorption of IR pulses can be detected. Such thermomechanical detection is very robust and sensitive, giving local IR spectra with ca. 10 nm spatial resolution. Furthermore, functional images of IR absorption can be obtained, proven to be very useful [5].
Formation of Amyloid fibers was studied [2], as well as LHCII proteins, responsible for photosynthesis [3], [4].
[1] E. Bertseva et al., Nanotechnology, 20 , 2009, 285709.
[2] F.S. Ruggeri et al., Nature Communications 2015, 6, 7831.
[3] E. Janik et al., The Plant Cell, 2013, 25, 6, 2155-2170.
[4] W.I: Gruszecki et al. Nanoscale, 2015, 7, 14659-14662.
[5] A. Dazzi, C.B. Prater, Chem. Rev., 2017, 117, 5146-5173.

Homogenizacja materiałów kompozytowych o dowolnym rozkładzie orientacji fazy wzmacniającej

W ramach referatu zaprezentowane zostaną wyniki badań dotyczące rozwoju metod komputerowych, pozwalających na zwiększenie efektywności homogenizacji materiałów kompozytowych z uwzględnieniem dowolnego rozkładu orientacji fazy wzmacniającej. Zakres przeprowadzonych badań związany jest z wykorzystaniem metody uśredniania orientacji oraz metody opartej na bezpośredniej analizie metodą elementów skończonych reprezentatywnego elementu objętościowego (RVE). W szczególności zaprezentowana zostanie metoda tzw. optymalnej dyskretyzacji pseudo-ziarnami, która pozwala na znaczne zredukowanie liczby dyskretnych orientacji wymaganych do odtworzenia zadanego rozkładu orientacji w porównaniu do wykorzystania metod znanych z literatury. Przedstawiona zostanie również opracowana metoda generowania trójwymiarowej geometrii reprezentatywnych elementów objętościowych (RVE) reprezentujących materiały o zadanym rozkładzie orientacji fazy wzmacniającej. Efektywność oraz skuteczność omówionych metod zostanie zilustrowana wynikami analiz przykładowych materiałów.

Nieliniowe modelowanie materiałów funkcjonalnych o cechach gradientowych metodą elementów skończonych

Centrum PAN Konwersja Energii i Źródła Odnawialne w Jabłonnie. Problemy badawcze związane z przyrostowymi technikami wytwarzania additive manufacturing

Modelling and simulation of interfaces in mechanics

I will discuss several applications where interfaces are key to the behaviour of mechanical systems, ranging from composite aircraft structures to surgical simulators. I will then present and compare different alternatives to discretise problems involving (moving and free) interfaces and focus on the importance of controlling discretisation error. To conclude, I will open up the discussion on the much more challenging problem associated with choosing the optimal model for a given problem, taking into account (partial and incomplete) data, using a Bayesian inference setting.

Supercapacitor: Types, Materials and Applications

Supercapacitors or ultracapacitors are considered as one of the most upcoming and promising candidates for power devices in future generations. Because of its appealing properties it is suitable for many advanced applications like hybrid electrical vehicles and similar other power devices and systems. In order to use this device in power applications, its energy and power density needs to be maximized. A lot of results from published work in the form of research and review papers, patents and reports are available this time. The purpose of this presentation is to introduce supercapacitors; its types, materials and applications with a focus on the energy storage capability for practical applications. Moreover, presentation will also address the principal technological challenges which the research society is facing along with some experimental results and analysis.

Optical media based on electrospun nanofibers: enhanced emission, light diffusion and random lasing

Polymer nanofibers are innovative building blocks for a variety of scientific and technological fields, such as tissue engineering, photonics, filtration, energy harvesting and nanoelectronics. As optical media, polymer nanofibers have intriguing and specific properties: they can embed metal nanoparticles, quantum dots and molecular light sources, they can transport light among distant optically-active nanostructures and they can be deposited in 2-dimensional and 3-dimensional architectures in a controlled fashion, forming complex networks of interacting photon sources. Electrospinning technologies are especially interesting in this respect, because of the possibility of tailoring and controlling the properties of individual nanofibers and of their networks. Demonstrated photonic devices and applications include sub-wavelength photonic components and nanofiber distributed feedback lasers, and electrospun nanosystems which couple opto-mechanical properties. Here fundamentals of the electrospinning and nanopatterning methods developed in our group will be presented and discussed as well as recent results on active polymer nanofibers. Investigated properties include light-confinement, waveguiding, multiple scattering, stimulated emission, random lasing and anisotropy of energy migration. The research leading to these results has received funding from the European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Programme (FP/2007-2013)/ERC Grant Agreement n. 306357 (ERC Starting Grant “NANO-JETS”, www.nanojets.eu).

Harmonogramowanie złożonych zadań obliczeniowych z uwzględnieniem procesu transmisji i przetwarzania danych w rozproszonych środowiskach chmurowych

Możliwości badawcze laboratorium Pracowni Inżynierii Bezpieczeństwa ZTI

Zagadnienie oddziaływania płyn-ciało stałe: sformułowanie prędkościowe i monolityczne metody obliczeniowe

Remarks: Prezentacja wyników pracy doktorskiej

Projektowanie nowoczesnych materiałów polikrystalicznych i komórkowych wspomagane nowoczesnymi technikami charakteryzacji i symulacji komputerowych

Obszar wyników prac koncentruje się na trzech grupach materiałów: nanometalach, kompozytach z fazą dyspersyjną oraz materiałach o otwartej porowatości. Materiały te, pozornie zupełnie różne, szczególnie z punktu widzenia ich zastosowań, wykazują wiele podobieństw od strony mikrostruktury. W każdym z tych materiałów występują charakterystyczne elementy mikrostruktury, takie jak odpowiednio: ziarna, cząstki lub pory. Cechy tych elementów oraz ich przestrzenne rozmieszczenie wykazują wiele podobieństw w wymienionych grupach materiałów. Determinują one także inny istotny element mikrostruktury, tj. powierzchnie rozdziału nazwane dla poszczególnych grup odpowiednio: granicami ziaren, granicami międzyfazowymi oraz powierzchnią swobodną. Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi obrazowania i charakteryzacji mikrostruktury materiałów (także obrazowania 3D) oraz odpowiednich algorytmów symulacji w znaczącym stopniu ułatwia budowanie ilościowych relacji pomiędzy strukturą i właściwościami materiałów. Ich zrozumienie jest natomiast bazą do projektowania nowych materiałów o polepszonych właściwościach.
Wyniki prac przedstawiają wpływ cech mikrostruktury wybranych grup materiałów na ich właściwości. Opisują m.in. wpływ niejednorodności wielkości ziaren na granice plastyczności i stabilność termiczną nanometali, wpływ dodatku grafenu na przewodność cieplną miedzi, wpływ rozkładu wielkości porów na przepuszczalność materiałów piankowych. Prezentowane wyniki obejmują także analizę wpływu właściwości granic ziaren, granic międzyfazowych i powierzchni swobodnych na wymienione właściwości makroskopowe. Uzyskane wyniki symulacji komputerowych potwierdzono eksperymentalnie tworząc nowe materiały o ulepszonych właściwościach.

Fizyka źródła sejsmicznego

Inteligentne systemy monitoringu procesów harmonogramowania w rozproszonych środowiskach obliczeniowych dużej skali w ujęciu wieloagentowym

Chaotic cryptography: classical and quantum scenarios

Badanie adhezji pomiędzy ceramiką i metalem w kompozytach MMC

Mikromechaniczne modelowanie kompozytów sprężysto-plastycznych: schemat Mori-Tanaki i automatyzacja obliczeń MES

Badania i przemysłowe zastosowania laserowo wywoływanych deformacji plastycznych

Zastosowanie elastomerów magnetoreologicznych do tłumienia drgań konstrukcji dwubelkowych

Decentralized semi-active damping of free structural vibrations using on/off truss-frame nodes

Towards real-time single-molecule biology

Biological processes which are performed by proteins interacting with the DNA and RNA are key to life. Insights into these processes provide essential information for understanding the molecular basis of life and the pathological conditions that develop when such processes go awry. The next scientific breakthrough consists in the actual, direct, real-time observations and measurements of the individual processes to validate and improve the current biological models. Single molecule technologies offer an exciting opportunity to meet these challenges and study protein function and mechanisms in real-time and at the single-molecule level. Here we present our efforts for further enabling discoveries in the field of biology and biophysics using combined optical tweezers combined and single-molecule fluorescence microscopy. During this seminar we will discuss the latest applications of this technology and how it can enhance our understanding in the field of DNA/RNA-protein interactions, molecular motors, protein folding/unfolding, cell membranes and genome structure.

Optymalizacja biorusztowań z użyciem metod modelowania wieloskalowego

Efekty geometryczne podczas krystalizacji w ograniczonej przestrzeni na przykładzie elektroprzędzionych włókien rdzeń-otoczka. Badania kalorymetryczne kinetyki krystalizacji

Mechanika przepływów dwufazowych w zaawansowanych laboratoriach biologiczno-chemicznych w mikroskali

Stosowanie w układach mikroprzepływowych dwóch niemieszających się faz daje możliwości wytworzenia małych kropel, które poruszają się w sieci kanałów mikroprzepływowych. Dodanie do takiego układu automatyki pozwala nie tylko zapanować nad objętością tworzonej kropli, ale także umożliwia kontrolę składu chemicznego oraz długą obserwację (kilku dniową) zjawisk biologiczno-chemicznych. W takich układach każdą kroplę można traktować jako bioreaktor. Wygłaszane seminarium habilitacyjne ma na celu pokazanie mechaniki przepływów dwufazowych w dużych zautomatyzowanych układach mikroprzepływowych. Dzięki nim można badać np. wpływ antybiotyków na szybkość wzrostu kolonii bakterii, a także można analizować proces nabywania przez nie odporności. Poziom skomplikowania niesie jednak wiele trudności związanych z mechaniką przepływu kropli. W trakcie długich
reakcji chemiczno-biologicznych zmianie ulegają parametry fizyczne kropli: jak lepkość, czy napięcie powierzchniowe. Zmiana ta ma wpływ na: i) mobilność ruchu kropli, ii) wewnętrzny rozkład pola prędkości wewnątrz kropli, jak i iii) opór hydrodynamiczny fazy rozproszonej. W rezultacie, by takie zautomatyzowane laboratoria mogły działać, trzeba przewidzieć, jak może zmieniać się ruch pojedynczej kropli w trakcie eksperymentu.

Metallic nanoparticles for nanoplasmonics: Application to graphene

Metal nanoparticles (NPs) have been attracting many researchers from various scientific fields over the past decade because of their unique optical properties and potential applications. For plasmonics application, the emphasis is on the enhancement of optical effects by the metal nanoparticles. Metal NPs have recently emerged as ubiquitous tip-enhanced Raman scattering (TERS) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) agents for nano-imaging and nano-analysis. Nowadays, developing new materials in synergy with metallic NPs to image and detect with high sensitivity, objects and molecules for environmental and health safety is becoming very urgent. In this context, 2D materials based on graphene have been proven to be high efficient plasmonic materials for TERS and SERS. However, developing large-scale and stable graphene-NPs composites is still very challenging.
The purpose of this seminar is to encompass issues on graphene plasmonics for nano-imaging and detection of low concentrated molecules. In this context, we will report the fabrication of a robust and stable new graphene-NPs material by laser ablation and demonstrate its high efficiency as SERS sensors for pesticide and electrochemical detection. Comprehensive analyses of graphene by atomic force microscopy, Raman and scanning electron microscopy will be shown. Our work opened a new gateway for molecular recognition at local scale.

Wyznaczanie naprężeń w konstrukcjach metodą magnetycznej pamięci metali: przełom w NDT czy nadużycie?

Metoda badań nieniszczących konstrukcji określana jako w lit. anglojęzycznej jako MMM (Metal Magnetic Memory) została po raz pierwszy opisana przez A. Dubova w połowie lat 90-tych ubiegłego wieku. Liczne publikacje pomysłodawcy, a zwłaszcza doniesienia o udanych przemysłowych zastosowaniach tej metodyki NDT (w oparciu o powstałą w 2007 normę techniczną ISO 24497) sugerują jej wysoką efektywność i potencjał dalszego rozwoju. Z drugiej strony uwagę zwraca monopolizacja pomiarów przez jednostki powiązane z promotorem metody, a także niska liczba opracowań naukowych wyjaśniających jej założenia fizykalne. Starając się rozstrzygnąć tytułowe wątpliwości, Autor seminarium podsumowuje wyniki krytycznej analizy techniki MMM na tle alternatywnych metod magnetyczno-mechanicznych, odwołując się do przeglądu literatury, badań eksperymentalnych, a także własnych modeli numerycznych MES, z powodzeniem zastosowanych w tym kontekście po raz pierwszy na świecie.

Diagnostyka stanu materiałów konstrukcyjnych z wykorzystaniem zjawisk magnetosprężystych

Reprezentacja niepełnej i niepewnej wiedzy dziedzinowej na potrzeby wspomagania decyzji w wybranych procesach produkcyjnych

Optymalizacja wielokryterialna w problemach pól sprzężonych

Współczesne metody badań stosowane w konserwacji historycznej broni czarnoprochowej

Własności strukturalne hetero-nanodrutów otrzymywanych metodą MBE

Statistical analysis for interface fracture and delamination failure of composites

Adaptacyjne tłumienie drgań wybranych konstrukcji z wykorzystaniem nieklasycznych materiałów

Remarks: Seminarium habilitacyjne

O Marianie Smoluchowskim przed zbliżającą się setną rocznicą śmierci

We wrześniu 2017 r. minie sto lat od przedwczesnej śmierci genialnego fizyka polskiego Mariana Smoluchowskiego. Wykład poświęcony będzie przedstawieniu jego pasjonującej drogi życiowej i omówieniu jego osiągnięć naukowych. W szczególności zostanie przypomniana jego niezwykle ważna rola jaką odegrał w "powołaniu atomów do życia".

Propagation of surface Love waves in a lossy layered planar waveguide with a viscoelastic guiding layer

Metoda fali obwiedniowej dla opisu nieliniowej propagacji fal akustycznych. Konsekwencje numeryczne

Mikromechaniczne modelowanie niejednorodnych materiałów sprężysto-lepkoplastycznych

Wpływ dodatku popiołów lotnych wapiennych na mikrostrukturę i mrozoodporność kompozytów o matrycach cementowych

Metoda nie-gładkiej dynamiki kontaktu: jej przegląd, aspekty numeryczne, implementacja równoległa i przykłady zastosowań w kontekście przemysłowym i akademickim

Migration of vesicles and flexible fibers in Poiseuille flow

Mechaniczne podstawy zastosowania kropel jako mikroreaktorów chemicznych w pasywnych układach mikroprzepływowych

Swimming in a fluid with inertia

Nieliniowa piezoelektryczność heterostruktur półprzewodnikowych GaN/AlN

Modelowanie numeryczne wybranych procesów związanych z formowaniem się obłoku plazmowego podczas ablacji laserowej nanosekundowym impulsem lasera Nd-YAG

Seminarium poświęcone będzie problemowi teoretycznego modelowania zjawisk ablacji laserowej i formowania się obłoku plazmowego zachodzących podczas osadzania powłok impulsem laserowym (pulsed laser deposition PLD). Analizie numerycznej poddano zjawiska zachodzące podczas oddziaływania wiązki nanosekundowego lasera Nd-YAG z tarczami wykonanymi z aluminium, grafitu, boru, wolframu oraz kompozytu WB2/B. W wyniku odziaływania promieniowania laserowego tarcza nagrzewa się, a następnie paruje tworząc obłok plazmowy. Przedstawiony model pozwala na szczegółowy opis wybranych zjawisk zachodzących podczas ablacji laserowej i formowania się obłoku plazmowego, które mają istotny wpływ na jakość osadzanych warstw.
Przedstawione wyniki stanowią osiągnięcie naukowe będące podstawą przyszłej pracy habilitacyjnej prelegenta.

Atomic force microscopy combined with optical tweezers (AFM/OT): from design to applications

The role of force is fundamental for numerous biological and physical processes. Several techniques have been recently developed in order to directly measure the forces involved in nanomaterial and biological materials activities. Atomic force microscopy (AFM) is an evolution of scanning tunnelling microscope that immediately gained popularity thanks to its ability to analyse nanomaterials. Initially, AFM was developed for nanomaterials imaging purposes, however the development of new features made it the most commonly used tool to measure force at the nanosacale. On the other hand, atomic force microscopy has limited use for examining sub-piconewton forces. Few techniques have been developed to measure the force under the AFM limit of detection. Among them, optical tweezers (OT) stands out for its high resolution and flexibility.
The combination of AFM with other techniques has significantly extended its capability in the last decades. The improvement of the AFM force resolution developing a hybrid double probe instrument based on the combination of AFM and OT has high potential in nanomechanics, molecules manipulation and biological studies.
We outline the principles underlying the applied techniques during the use of the AFM/OT as well as the design and the development of the instrument. We describe the experimental procedure for calibration of the optical trapping system and we demonstrate the achievement of higher resolution (force: 10 fN – spatial: 0.1 nm – temporal: 10 ns) than the standing alone AFM equipment.
We show the application of the hybrid equipment in three different experiments. In the first case, the trapping laser was used as a high precision nanomanipulator while the AFM cantilever guarantees the ability to visualize the treated sample zone with high resolution. The second experiment proved the possibility to lower the force limit of detection of AFM, by using a colloidal cantilever as a manipulator and the optical tweezers system as a force and spatial sensor. The last experiment is focused on the evaluation of the mechanical properties of single biomolecules. Force-extension relationships were measured for a single molecule of DNA using AFM/OT when one end of the molecule was fixed to the AFM cantilever and the other end was linked to the trapped particle. The DNA was stretched by moving the cantilever while the OT system was used as a detector.
Finally, we show the potential applications of this apparatus in other scientific fields.

Czy związki międzymetaliczne na bazie NiAl mogą zastąpić nadstopy niklu w zastosowaniach w silnikach lotniczych?

Fizyczne podstawy wytrzymałości warstwy przejściowej w nanokompozycie Cu-Al₂O₃

Analiza efektów skali w mikrostrukturach martenzytycznych metodą pola fazowego

Metoda pola fazowego (phase-field method) stanowi efektywne narzędzie modelowania i opisu przemian fazowych i ewolucji mikrostruktury, w tym przemian i mikrostruktur martenzytycznych. Istotą metody pola fazowego jest przybliżenie ostrych granic fazowych przez granice rozmyte. W tym celu wprowadza się tak zwany parametr porządku (order parameter), który zmienia się w sposób ciągły pomiędzy wartościami odpowiadającymi poszczególnym fazom, a pośrednie wartości tego parametru odpowiadają rozmytej powierzchni międzyfazowej o odpowiednio interpolowanych właściwościach. Takie podejście prowadzi do efektywnych modeli obliczeniowych, w których powstawanie i ewolucja mikrostruktury modelowane mogą być przy użyciu ustalonej siatki obliczeniowej. Nie ma więc konieczności śledzenia poszczególnych powierzchni międzyfazowych i dopasowywania siatki do zmieniającej się mikrostruktury.
Na seminarium przedstawiony zostanie nowy model ewolucji mikrostruktur martenzytycznych bazujący na metodzie pola fazowego. W modelu uwzględniono nieliniową kinematykę skończonych odkształceń i wprowadzono hierarchiczne parametry porządku. Model został wykorzystany do analizy efektów skali w mikrostrukturach martenzytycznych, w szczególności dla granicy rozdziału austenitu i zbliźniaczonego martenzytu w stopie CuAlNi. Pokazane zostanie porównanie wyników uzyskanych metodą pola fazowego z wynikami wcześniejszych modeli mikromechanicznych.

Warstwy i studnie ZnO/(ZnMg)O otrzymywane metodą PA-MBE

Technika PA-MBE, czyli epitaksja z wiązek molekularnych z zastosowaniem źródła plazmowego stała się w ostatnich latach popularną metodą wzrostu półprzewodników, w których jeden ze składników (anion) występuje jako gaz. Technika ta jest używana do wzrostu warstw i struktur kwantowych, zarówno azotków grupy III (GaN,InN i AlN), jak i tlenków grupy III (ZnO) i trójskładnikowych stopów ZnMgO i CdZnO. Wszystkie te materiały można zaliczyć do półprzewodników szerokoprzerwowych. O ile azotek galu w tej chwili jest najważniejszym materiałem półprzewodnikowym po krzemie, o tyle tlenek cynku dotąd niedoceniany w przyszłości może mieć również ważne zastosowania optoelektroniczne. Głównym powodem zainteresowania środowiska naukowego ZnO jest bardzo wysoka energia wiązania ekscytonów (60 meV). Daje to w perspektywie możliwość nowych zastosowań w optoeletronice bazujących na takich zjawiskach jak kondensat Bosego-Einsteina, czy akcja laserowa na trionach.
Na seminarium pokażę najnowsze wyniki otrzymane na układzie PA-MBE pracującym w Instytucje Fizyki PAN. Będą to wyniki dotyczące podstawowych właściwości warstw ZnO i ZnMgO, oraz studni kwantowych ZnO/(ZnMg)O. Pokażę wyniki dotyczące magnetooptyki trionów (naładowany ekscyton) otrzymane we współpracy z kolegami z Uniwersytetu Warszawskiego. Warto podkreślić, że obserwowane przez nas triony mają rekordowe energie wiązania. Przedstawię również niedawno otrzymane wyniki dotyczące akcji laserowej na studniach kwantowych ZnO/(ZnMg)O. Na koniec podsumuję wszystkie otrzymane wyniki.

Manipulatory mechaniczne i układy pomiarowe w nanoskali

Seminarium z okazji 70-lecia urodzin prof. dr hab. inż. Michała Kleibera

Program uroczystości:

Metodyka obliczeń wieloskalowych z wykorzystaniem heterogenicznych architektur sprzętowych

Remarks: Seminarium habilitacyjne

Nowe półprzewodnikowe przyrządy mocy (SiC i GaN) w energoelektronice

Energoelektronika, zajmująca się zagadnieniami przekształcania energii elektrycznej, jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin z obszaru elektrotechniki i elektroniki. Wynika to z coraz powszechniejszego stosowania układów energoelektronicznych, które spotkać można nie tylko we wszelakich systemach zasilania, ale także w układach napędowych, trakcji elektrycznej czy sieciach elektroenergetycznych ­ w zakresach mocy od pojedynczych watów do megawatów. Bez energoelektroniki trudno wyobrazić sobie integrację odnawialnych źródeł energii albo działanie samochodów elektrycznych czy hybrydowych. Rozwój tej dziedziny obecnie zachodzi pod wpływem nowych topologii układów oraz sposobom ich sterowania, ale przede wszystkim dzięki sięganiu po nowe materiały półprzewodnikowe. Po latach badań przyrządy mocy bazujące na materiałach o szerokim paśmie zabronionym, takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), stają się realną konkurencją dla elementów krzemowych. Z jednej strony parametry nowych elementów oferują szereg możliwości, z drugiej - pojawia się wiele wyzwań związanych choćby z odprowadzaniem prądu czy ciepła ze struktur półprzewodnikowych. W ramach wykładu przedstawione zostaną podstawowe zagadnienia związane z zastosowaniem przyrządów mocy SiC i GaN w energoelektronice, w tym wpływu na parametry urządzeń takie jak sprawność, jakość przetwarzanej energii czy gęstość mocy.

Wrzenie podczas przepływu przez minikanały

Hydrodynamic vs. kinetic modelling of liquid-vapour systems

Zbadanie związku przetwarzanie-morfologia-zachowanie mechaniczne dla nanokompozytów polimerowych: modelowanie i eksperymenty

Badania uszkodzenia materiałów w warunkach pełzania lub zmęczenia - stan zagadnienia i nowe wyzwania

Seminarium habilitacyjne: Propagacja i tłumienie fal akustycznych w ośrodkach porowatych, a cechy geometryczne i drgania mikrostruktury

Zastosowanie metody pręta Hopkinsona do analizy wpływu wstępnych obciążeń zmęczeniowych na lepkoplastyczne charakterystyki stali i stopów

Nanofluid flow and heat transfer in boundary layers at small nanoparticle volume fraction

OPTYMALNE PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI WIELOSKŁADNIKOWYCH

Matematyczne problemy modelowania dynamiki wapnia w komórce

Minimalizacja podatności konstrukcji liniowo sprężystych. Zagadnienie projektowania rozkładu modułów symetrii kubicznej

Continuum Mechanics beyond the Second Law of Thermodynamics

The results established in contemporary statistical physics indicating that, on very small space and time scales, the entropy production rate may become negative motivate a generalization of continuum mechanics. In view of the fluctuation theorems describing such violations, it is recognized that the evolution of entropy at a continuum point is stochastically (not deterministically) conditioned by the past history. Hence, the Clausius-Duhem inequality is replaced by a submartingale model, which, leads to a classification of thermomechanical processes into four types depending on whether they are conservative or not and/or conventional continuum mechanical or not. Stochastic generalizations of thermomechanics are given in the vein of either thermodynamic orthogonality or primitive thermodynamics, with explicit models formulated for Newtonian fluids with either parabolic or hyperbolic heat conduction. Several random field models of the martingale component, possibly including spatial fractal and Hurst effects, are proposed. As examples, we consider propagation of an acceleration wavefront of nanoscale thickness and permeability of nano-porous media.

Rozchodzenie się powierzchniowych fal Love\'a w niejednorodnych sprężystych ośrodkach gradientowych

Micromechanics of heterogeneous materials and cross-property connections

The following topics will be discussed:

• Proper quantitative characterization of complex microstructures containing defects and inhomogeneities
• Overall properties, elastic and conductive, of such microstructures
• Cross-property elasticity-conductivity connections between the elastic constants and thermal/electric conductivities. Applications: (1) monitoring the stiffness loss through electric resistivities (2) optimization of microstructures for a combined elastic/thermal conductivity performance (sprayed coatings)
• Applications to materials science. In particular: metal foams; sprayed coatings; fatigue microcracking in metals; composites.

Statystyczne tłumaczenie mowy polskiej

Wybrane aspekty formułowania, implementacji oraz aplikacji 6-parametrowej nieliniowej teorii powłok

Dynamika mikro i nano obiektów zawieszonych w płynie

Hipersprężystość - modelowanie konstytutywne i zastosowania

Zastosowanie zjawisk elektromagnetycznych do tłumienia samowzbudnych drgań mechanicznych

Wykrycie mechanizmu tworzenia silnego wiązania na granicy faz metal -ceramika: analiza teoretyczna i weryfikacja doświadczalna

Problemy mechaniki w konserwacji obrazów wielkoformatowych na przykładzie prac w katedrze w Namur (Belgia)

Od pytań o konformację fibrynogenu do opisu teoretycznego dyfuzji własnej cząstek dowolnego kształtu

Modelowanie procesów odlewania ciśnieniowego metali metodą elementów skończonych

Mechanika ośrodków ciągłych niecałkowitego rzędu

Pierwsze sformułowania mechaniki ośrodków ciągłych niecałkowitego rzędu (MOCNR) datuje się na początek XXI wieku [1,2]. MOCNR należy do grupy modeli nielokalnych, gdzie nielokalność wynika z użycia w opisie pochodnych niecałkowitego rzędu (pochodnych frakcjalnych). Należy podkreślić, iż sposobów definicji MOCNR może być wiele.
W pierwszych pracach [3,4] rozważano MOCNR w wersji odpowiadającej klasycznemu ujęciu dla małych deformacji. Dopiero w pracy [5] podano pierwszą koncepcję MOCNR dla dużych (frakcjalnych) deformacji.
W trakcie referatu zostanie omówiona autorska koncepcja MOCNR zaprezentowana w pracy [6], z przykładami z zakresu teorii sprężystości i plastyczności, w tym również weryfikacji eksperymentalnej bazując na wynikach zginania mikro belek z polimeru SU-8.
[1] M. Klimek. Fractional sequential mechanics—models with symmetric fractional derivative. Czechoslovak Journal of Physics, 51(12):1348–1354, 2001.
[2] K.A. Lazopoulos. Non-local continuum mechanics and fractional calculus. Mechanics Research Communications, 33:753–757, 2006.
[3] T.M. Atanackovic and B. Stankovic. Generalized wave equation in nonlocal elasticity. Acta Mechanica, 208(1-2):1–10, 2009.
[4] A. Carpinteri, P. Cornetti, and A. Sapora. A fractional calculus approach to nonlocal elasticity. European Physical Journal Special Topics, 193:193–204, 2011.
[5] C.S. Drapaca and S. Sivaloganathan. A fractional model of continuum mechanics. Journal of Elasticity, 107:107–123, 2012.
[6] W. Sumelka. Thermoelasticity in the framework of the fractional continuum mechanics. Journal of Thermal Stresses, 37(6):678–706, 2014.

Analiza scenariuszy precyzyjnego pozycjonowania układu elektromechanicznego napędzanego silnikiem skokowym

Reprezentacja i rozumowanie jakościowe w aplikacjach robotyki mobilnej

Obrazowanie parametryczne w ultrasonografii

Masywnie równoległa metoda dekompozycji obszaru dla dyskretyzacji nieciągłą metodą Galerkina

Światłowodowe siatki Bragga - właściwości czujnikowe oraz zastosowania metrologiczne

Nieliniowe odbicie i transmisja akustycznej fali płaskiej na granicy dwóch ośrodków

Nadzwyczaj silna transmisja i generacja wirów optycznych na periodycznym układzie stref Fresnela

Modelowanie mikro-strukturalne pochłaniania dźwięku w ośrodkach porowatych i włóknistych: periodyczne reprezentacje i weryfikacja eksperymentalna.

Rozproszone sterowanie przepływem pojazdów po autostradach

Analiza deformacji i zniszczenia pianek korundowych

Uszkodzenia śrubowych połączeń kołnierzowych w wieżach telekomunikacyjnych

Nieliniowe problemy mechaniki materiałów - wykład poświęcony omówieniu głównych wyników prac prof. Bogdana Ranieckiego

A tribute to the professor Bogdan Raniecki\'s scientific work

Nowe rozwiązanie dla nielokalnego równania Sturma-Liouville\'a

Kropki kwantowe - własności fizyczne i modelowanie numeryczne

Plastyczność w 6-parametrowej nieliniowej teorii powłok, efektywność obliczeń MES - praca doktorska

Uniwersalna architektura integracyjna dla heterogenicznych źródeł danych i metod optymalizacji

Integracja danych jest problemem rozwiązywanym od wielu dekad, który moim zdaniem nadal nie doczekał się całościowego rozwiązania. Przedstawię architekturę integracji danych opartą na idei Kubloidu. Celem tej architektury jest dostarczenie uniwersalnego meta-modelu integrującego dostęp do heterogenicznych danych (m.in. relacyjnych, XML i NoSQL). Model ten jest zrealizowany w postaci middleware zbierającego informacje o dostępnych źródłach danych jednocześnie pozwalając na złożenie w nim metod optymalizacji dostępu do tych danych.

Czy komputer nie myli się?

Inauguracja Roku Akademickiego 2014/2015

Periodyczny układ dipoli dyslokacyjnych: zbieżność warunkowa i naprężenia makroskopowe

Theoretical predictions and experimental measurements of thermal conductivity degradation with strain in a Carbon-Carbon composite: Potential for use as a Structural Integrity monitor

Cardiovascular engineering - how far are we from the clinic?

Patient-specific modelling (PSM) is impacting most areas of medicine and allows for improvements in diagnosis, management, clinical outcomes and even personalised medical devices. The most common type of aortic disease is an aortic aneurysm. Aneurysms of the aorta typically form in the upper, thoracic aorta (TAA), and/or, lower, abdominal aorta (AAA). These aneurysms are notoriously symptomless and have earned themselves the title of “silent killer” as rupture usually results in death. As many as 7% of elderly men (>65yrs) have an AAA, which equates to roughly 110,000 elderly Australian men currently living with an AAA, with the vast majority blissfully unaware of the problem. Upon detection of the aneurysm, the maximum diameter is used to determine the risk of rupture. However, this is a crude “one size fits all” measurement and in this era of personalised medicine, PSM can significantly improve the classification of rupture-risk. In this seminar, I will discuss recent advancements in PSM of aortic aneurysmal disease and the challenges facing the translation of PSM to the clinic. Some areas of ISML research will be presented; including thoracic and abdominal aortic aneurysms, harvesting and mechanical testing of patient-specific tissue, and recent efforts relating inflammation in the diseased aortic wall (visualised using state-of-the-art. medical imaging) to the underlying biomechanics. I will also show our most recent work which demonstrates that PSM can predict the location of aneurysm rupture.

Modelowanie oddziaływań kontaktowych kul w warunkach poślizgu i tarcia

Dynamika elastycznych cząstek opadających w lepkim płynie - oscylacje i odpychanie hydrodynamiczne

Podczas sedymentacji grup mikrocząstek interesującym i ważnym zjawiskiem są wykonywane przez nie ruchy periodyczne. W referacie przedstawię w jaki sposób elastyczność cząstek wpływa na dynamikę układu.

O wzroście sieci rzecznych i korytarzy skalnych

"Morskie fale, prążki na piasku na plaży, łagodna linia wybrzeża między przylądkami, zarys odległych wzgórz na horyzoncie, kształty obłoków - to wszystko zagadki formy i kształtu, które fizyk z mniejszym lub większym trudem powinien potrafić rozszyfrować" – pisał prawie sto lat temu D'Arcy Wentworth Thompson w swoim monumentalnym dziele "O wzroście i formie". Współczesna fizyka zdołała przesunąć się po drodze zakreślonej przez Thompsona – zaczęliśmy rozumieć, jakie mechanizmy rządzą spontanicznym uporządkowaniem materii i jak opisać układy, w których oddziaływania między elementami składowymi prowadzą do powstawania uporządkowanych struktur lub jakościowo nowych zachowań fizycznych. Na wykładzie opowiem o dwóch przykładach procesów samoorganizacji w świecie przyrody nieożywionej: o tym, jak powstają zalążki jaskiń i jak wzrastają sieci rzeczne na piaszczystym podłożu. W szczególności postaram się wyjaśnić, dlaczego początkowo planarna szczelina skalna rozpuszcza się w niejednorodny sposób, prowadząc do powstawania korytarzy krasowych i dlaczego strumienie spływające do rzeki Apalachicola na Florydzie łączą się ze sobą pod kątem 72 stopni.

Zespół Systemów Elektronicznych IPPT - opracowania, zastosowania, perspektywy

Zespół Systemów Elektronicznych zajmuje się projektowaniem zaawansowanych systemów elektronicznych do akwizycji i przetwarzania sygnałów ultradźwiękowych. Na seminarium zostaną zaprezentowane wybrane opracowania Zespołu oraz możliwości ich zastosowań w diagnostyce medycznej oraz ultradźwiękowych badaniach nieniszczących. Przedstawiona zostanie metodologia i zagadnienia inżynierskie projektowania nowoczesnej elektroniki. Na zakończenie pokażemy perspektywy rozwoju Zespołu oraz możliwości jego współpracy w ramach Instytutu.

Koordynacja Sygnalizacji w Morfogenezie Mieszków Włosowych

Kształtowanie się złożonych struktur (morfogeneza) w organizmach żywych wymaga precyzyjnej kontroli. Proces ten jest wielostopniowy i opiera się na wymianie sygnałów chemicznych i mechanicznych między populacjami komórek uczestniczących w tworzeniu danej struktury. Sygnały te aktywują różnorakie szlaki, które zmieniają profile ekspresji białek i w ten sposób wpływają na własności mechaniczne komórek oraz syntezę kolejnych przekaźników. Użytecznym systemem do badań nad morfogenezą okazała się skóra, a w szczególności mieszek włosowy, z powodu stosunkowo prostej i dobrze zdefiniowanej budowy przy jednoczesnym zachowaniu złożoności repertuaru wymiany sygnałów chemicznych i mechanicznych. W 2003 Jamora et al. opisali intrygujący mechanizm regulacji morfogenezy mieszka włosowego - w szczególności pokazali jak interakcja dwóch szlaków sygnalizacyjnych, Wnt and BMP, jednocześnie kontroluje „plastyczność” połączeń międzykomórkowych oraz program ekspresji genów poprzez regulację stabilności i lokalizacji beta-kateniny, istotnego czynnika transkrypcyjnego i białka strukturalnego.

Adaptacyjne tł‚umienie drgań„ wywoł‚anych pojazdami szynowymi z wykorzystaniem materiał‚ów inteligentnych

Zaprezentowane zostaną… wyniki badań uzyskane w trakcie realizacji projektu Lider. Projekt dotyczy pół‚aktywnego tł‚umienia drgań„ wywoł‚anych ruchomymi obciążeniami. Przedstawiony zostanie model matematyczny zadania, jego model numeryczny wraz z charakterystycznymi macierzami opisują…cymi wpł‚yw bezwł‚adnoś›ci obciążenia oraz cechy charakterystyczne rozwią…zań„. Dzię™ki optymalnemu sterowaniu parametrami tł‚umią…cymi możliwe jest uzyskanie znacznie wię™kszego obniżenia drgań„ niż w przypadku stał‚ych parametrów ukł‚adu. Wyniki numeryczne porównano z pomiarami uzyskanymi na prototypowym stanowisku badawczym.

Podejście energetyczne do pokrytycznych deformacji niesprężystych w materiałach i konstrukcjach

The response of rate-independent inelastic solids and structures to a quasi-static loading programme is frequently non-unique. In contrast to elastic structures, there can be infinitely many theoretical post-critical solutions in the range of stable equilibrium beyond the primary bifurcation point. Appealing to initial imperfections is not always effective. Therefore, there is a need for a general criterion of choice of the post-critical branch of possible physical meaning.
The energy criterion of instability of equilibrium has been extended to quasi-static deformation processes under general assumptions that result in a symmetric tangent stiffness matrix. As a consequence, a convenient incremental criterion is obtained for eliminating unstable post-critical solutions. The energy-based computational algorithm for passing bifurcation points with automatic branch switching has been developed and used in finite element computations. Special attention is focused on spontaneous formation of microstructures in initially homogeneous materials as a consequence of the loss of material stability.

Nonlinear vibrations of shells and plates in traditional, soft and advanced materials

Noisy Brakes, Energy Harvesting and Vibrating Oil Paintings: Actual Applications of Nonlinear Dynamics

This presentation intends to give an overview over some research activities of the Chair of Mechatronics and Machine Dynamics at TU Berlin.
Nowadays, the optimization of brakes with respect to their noise behavior is a key issue in the development process and consumes more than 50% of the respective costs. Therefore research on modeling and experimental methods with respect to a better understanding of the noise behavior is of considerable interest. The presentation focuses on the dynamic characterization of friction materials and on the bifurcation behavior of automotive disk brakes.
In the second part solutions of Fokker-Planck equations of nonlinear stochastically excited systems are considered. As an example, multi-stable energy harvesting systems are considered that exhibit non-Gaussian behavior. Finally results of investigations on the vibrational behavior of oil paintings are shown. There are strong influences of weathering visible when vibration responses are considered.

Wprowadzenie do użytkowania interaktywnego monitora dotykowego

Celem prezentacji jest pokazanie możliwości jakie daje monitor dotykowy w powadzeniu wykładów i seminariów.
Urządzenie pozwala na dotykową obsługę systemu Windows 8.1 lub innego przystosowanego do tego celu. Zastosowanie odpowiednich aplikacji daje możliwość naturalnego ręcznego pisania pisakiem po ekranie i zapamiętanie tych zapisów lub odręcznego nanoszenia poprawek w dokumentach PowerPoint lub PDF. Na seminarium zaprezentowany będzie także program Easiteach Next Generation zaprojektowany do celów dydaktycznych przystosowany do używania z urządzeniami dotykowymi.
Monitor dotykowy może być używany jako wyświetlacz w zastępstwie projektora i ekranu. Może też zastąpić tradycyjną tablicę do prowadzenia notatek, a jego wielką zaletą jest możliwość zapamiętania wszystkiego, co zostało napisane.

Adsorpcja białek – Mitologia i nauka

Zdefiniowano główne przesądy pokutujące w dziedzinie adsorpcji białek na powierzchniach ciało stałe/elektrolit. Wykazano nieadekwatność tradycyjnych ujęć opierających się na koncepcji izoterm adsorpcji, szczególnie modelu Langmuira. Omówiono nowe metody analizy adsorpcji białek wykorzystujące podejście fizykochemiczne, w szczególności ilościowy opis hydrodynamiczny i modelowanie metodą Monte-Carlo. Wykazano, że uzyskane wyniki teoretyczne umożliwiają ilościową interpretację danych doświadczalnych uzyskanych dla albumin i fibrynogenu, białek osocza krwi o podstawowym znaczeniu. Wykazano, w przeciwieństwie do obowiązujących poglądów, że podstawową rolę w procesach adsorpcji białek odgrywają oddziaływania elektrostatyczne, wynikające z heterogenicznego rozkładu ładunku elektrycznego. Na tej podstawie wyjaśniono przyczyny wielu rozbieżności występujących w doniesieniach literaturowych, dotyczących oszacowań stałych kinetycznych, energii adsorpcji oraz pokryć maksymalnych.

Założyciele naszego Instytutu i patroni sal wykładowych

Rozpocznę od krótkiego zarysu sytuacji w kraju, poprzedzającej powstanie Polskiej Akademii Nauk. Mowa będzie między innymi o I Kongresie Nauki Polskiej, na którym zapadła decyzja o powołaniu PAN. Ilustrowane to będzie kroniką filmową i oryginalnymi zdjęciami Warszawy. Przedstawię sylwetki organizatorów naszego Instytutu, osób o niezwykle ciekawych życiorysach i nieprzeciętnych osiągnięciach naukowych. Z kolei przybliżę sylwetki pozostałych osób, upamiętnionych patronatem poszczególnych sal wykładowych.

Audiowizualne nagranie z seminarium

Ciało afinicznie sztywne i dynamiczna niezmienniczość afiniczna w mechanice i fizyce (Affinely rigid body and dynamical affine invariance in mechanics and physics)

Jest dziwnym zrządzeniem losu, że ten sam człowiek, mianowicie Leonard Euler, sformułował dwa równania noszące jego imię i opisujące dwa na pozór zupełnie różne obiekty fizyczne: bryłę sztywną i ciecz idealną. Chwila zastanowienia wskazuje, że mógł to nie być przypadek: są to dwa obiekty z grupą Liego jako przestrzenią konfiguracyjną. Energia kinetyczna jest lewostronnie niezmiennicza w przypadku bryły sztywnej (i jednocześnie prawo-niezmiennicza w przypadku bąka kulistego), zaś ciecz idealna ma energię kinetyczną prawostronnie niezmienniczą. Mówiąc ściślej, w przypadku cieczy nie jest to dosłownie grupa Liego, gdyż jej wymiar jest nieskończony. Mój model jest kompromisem między tymi dwoma: przestrzeń konfiguracyjna ma skończony wymiar, ale zawiera deformacyjne stopnie swobody. Zakres zastosowań jest ogromny: Problemy makroskopowej sprężystości, gdy długość fali jest porównywalna z rozmiarami ciała, dynamika molekularna, kryształy molekularne, fullereny, dynamika inkluzji, zawiesin i pęcherzy gazowych, kontinua z mikrostrukturą, dynamika jąder atomowych, astrofizyka i geofizyka, robotyka, zmodyfikowana metoda elementów skończonych, dynamika jednowymiarowych łańcuchów (sieci całkowalnych). Istnieją zastosowania w medycynie i biologii. Jest jednak pewien brak w teorii w porównaniu z ogólną teorią układów o grupowych stopniach swobody. Mianowicie struktura grupowa z reguły wymusza pewne rozwiązania analityczne (wiąże to się z analitycznością grup Liego), a w dodatku wyróżnioną rolę odgrywają tam modele lewostronnie- lub prawostronnie- niezmiennicze względem działania grup. Otóż w zwyklej dynamice ciał afinicznie sztywnych nie ma modeli o afinicznie niezmienniczej energii kinetycznej. My pokazujemy, że modele takie jednak istnieją, co więcej, pozwalają one na znajdowanie rozwiązań oscylacyjnych w przypadku geodezyjnym, a więc bez potencjału. Przypomina to trochę zasadę Maupertuis w mechanice, ale motywacja jest bardziej geometryczna. Dalej zagadnienie wiąże się z ogólniejszym programem afinicznie niezmienniczej dynamiki w sensie Kroenera, Hehla, Ne'emanna i innych.

Logika i informacja na poziomie pojedynczej komórki, czyli o biochemicznym przetwarzaniu sygnałów

Możliwość przetrwania żywych organizmów nierozłącznie wiąże się z przekazywaniem informacji. Każda zmiana w otaczającym środowisku stwarza konieczność szybkiego dostosowania się do nowych warunków. Na poziomie komórki przekazywanie informacji odbywa się poprzez reakcje biochemiczne, a głównym nośnikiem komunikatów są białka.
W referacie przedstawię podstawowe narzędzia do modelowania biologicznych ścieżek sygnałowych, które pozwalają zrozumieć mechanizmy przekazywania informacji w żywych komórkach. W szczególności przedstawię nasz wynik pozwalający określić, kiedy biochemiczna ścieżka sygnałowa funkcjonuje optymalnie. Za pomocą rozwiniętej metodologii oraz danych eksperymentalnych przedstatwię jak bakteria Escherichia coli przetwarza informacje o dostępności aminokwasów. Nasze wyniki pokazują, że maszyneria molekularna
bakterii jest w stanie efektywnie wykryć około 16 różnych stężeń glutaminy (aminokwasu służącego do produkcji innych aminokwasów) co kwestionuje dominujący do tej pory pogląd, że bakteria może rozróżnić jedynie dostępność glutaminy lub jej brak.

Wektorowe wiązki falowe - od równania Schrödingera do pełnego układu równań Maxwella

Pole optyczne konwencjonalnych wiązek falowych, o średnicy przekroju poprzecznego znacznie przekraczającej długość fali i o jednorodnej przestrzennie polaryzacji, opisywane jest poprzez paraboliczne równanie przyosiowe w postaci odpowiadającej równaniu Schrödingera. Jednakże w zastosowaniach nanofotonicznych szczególnie przydatne są wiązki falowe niespełniające tych warunków, czyli wiązki o przekroju subfalowym i o niejednorodnej polaryzacji. W opisie pola takich wiązek równanie Schrödingera należy zastąpić pełnym układem równań Maxwella z rozwiązaniami o znacznie bardziej skomplikowanej strukturze. Zreferowana zostanie konstrukcja takiego ścisłego rozwiązania wykorzystująca szczególnie istotne w zastosowaniach własności wiązek Laguerra-Gaussa dowolnego rzędu. Otrzymane w ten sposób wyniki mają charakter podstawowy, zarówno poznawczy jak i aplikacyjny, w takich dziedzinach jak nanofotonika, plazmonika, optoelektronika, informatyka optyczna i kwantowa komunikacja.

Nagroda Nobla 2013: transport pęcherzykowy czyli logistyka w komórce

Tegoroczna Nagroda Nobla została przyznana za badania podstawowe w zakresie biologii komórki. Trójka nagrodzonych naukowców, stosując trzy różne modele badawcze (izolowane białka, drożdże, komórki nerwowe) wyjaśniła uniwersalne mechanizmy transportu substancji wewnątrz komórek.

Zjawisko kawitacji w odkształcanych plastycznie polimerach częściowo krystalicznych

Podczas odkształcania polimerów termoplastycznych często jest obserwowane zjawisko kawitacji, czyli powstawanie nano- i mikrometrowych pustek wewnątrz struktury polimeru. Zwykle kawitacje odnotowywane są po raz pierwszy przy odkształceniach bliskich granicy plastyczności materiału. Powstają one w fazie amorficznej polimeru i ze wzrostem odkształcenia ulegają ewolucji. Wyjaśnione będzie dlaczego kawitacje powstają w polimerach częściowo krystalicznych, przy jakich rodzajach odkształcenia i dlaczego nie są obserwowane w niektórych polimerach. Pokazane zostanie jak wystąpienie zjawiska zależy od struktury wewnętrznej polimeru, w tym od budowy elementów krystalicznych – lameli. Omówiony będzie również wpływ warunków deformacji, takich jak temperatura, szybkość odkształcania. Przedstawione będą zmiany kształtu i rozmiarów kawitacji w zależności od ewolucji struktury wewnętrznej polimeru i jej przekształcania ze sferolitycznej w fibrylarną. W oparciu o pomiary właściwości mechanicznych, rentgenografię i badania termowizyjne przedstawiony będzie wpływ kawitacji na przebieg odkształcenia plastycznego polimeru, a więc na jego właściwości mechaniczne i możliwość zastosowania.

Development of drag reducing strategies

Drag experienced by an object moving through a fluid can be decomposed into form drag associated with pressure field and shear drag associated with friction. Different strategies need to be followed in order to reduce each type of the drag. This presentation is focused on the development of strategies for reduction of the friction drag. Since it is known that laminar flow produces less friction than the turbulent flow under nominally identical conditions, most of the recent efforts have been focused on analysis and, hopefully, control and delay of the laminar-turbulent transition. Once the flow assumes the turbulent form, drag reduction can be induced through application of riblets which interfere with the turbulence production.
Methods that can lead to drag reduction to be described in this presentation follow a more systematic approach. Flow can be modulated using distributed forcing. Surface topography (roughness), distributed suction/blowing, set of electrodes producing plasma injections, distributed heating sources, etc, represent examples of physical effects that can be used to create distributed forcing. Flow changes are to be produced by patterns of such forcing rather than by its strength. Analyses based on this concept have lead to the development of laminar, drag reducing grooves (application of patterns of surface topography) as well as helped in the identification of the Super-ThermoHydrophobic effect (application of patterns of heating) that result in a significant drag reduction. In each case drag reduction of practical interest has been achieved.
References:
H.Moradi and J.M.Floryan, Flows in Annuli with Longitudinal Grooves, J. Fluid Mech., 2013, v.716, 280-315.
M.Z.Hossain, D.Floryan and J.M.Floryan, Drag Reduction due to Spatial Thermal Modulations, J. Fluid Mech., 2012, v.713, 398-419.
M. Z. Hossain & J. M. Floryan, Instabilities of Natural Convection in a Periodically Heated Layer, J. Fluid Mech., 2013, v. 733, pp. 33-67.
A. Mohammadi and J. M. Floryan, Pressure losses in Grooved Channels, J. Fluid Mech., 2013, v. 725, pp. 23-54.

Elektroprzędzenie nanowłókien. Badania podstawowe i zastosowania biomedyczne

Elektroprzędzenie nanowłókien (przędzenie elektryczne) jest techniką umożliwiającą tworzenie ultra-cienkich włókien. Jest to jedna z najwydajniejszych i najtańszych metod produkcji nanomateriałów. Na seminarium przedstawię wyniki badań podstaw procesu i zastosowania materiałów uzyskiwanych na drodze elektroprzędzenia w biologii i medycynie.

Profesor Jan Czochralski Wielki nieznany Patronem roku 2013

Przedstawiona zostanie sylwetka Profesora i Jego życiorys oraz zakres tematyczny badań.
Omówione zostaną metody otrzymywania monokryształów z fazy ciekłej w aspekcie zalet uzyskiwania monokrysztalów metodą Czochralskiego. Podsumowane zostaną osiągnięcia naukowe Profesora oraz przedstawiony okres powojenny związany z Jego życiem jak rówież współczesne działania związane z promocją "Wybitnego Polskiego Uczonego".

Systemy zgazowania biomasy - stan obecny i perspektywy

Przedstawiamy budowane przez naszą firmę MTF Sp. zoo systemy do zgazowania biomasy i odpadów. Zgazowanie stanowi ciekawą alternatywę dla bezpośredniego spalania zwłaszcza w przypadku możliwości wykorzystania powstałego gazu do produkcji prądu w silnikach spalinowych lub przeróbki gazu na paliwa ciekłe. Umożliwia podniesienie sprawności wytwarzania energii elektrycznej do 40% i mniejsze koszty wykorzystania ciepła. Warunkiem osiągnięcia sukcesu jest sprawny system oczyszczania gazu. Przedstawimy nasze prace rozwojowe dotyczące budowy takich systemów i ich integracji z systemami zgazowania.

Przepływy kropel w mikrokanałach

Obecny rozwój technik kontrolowania przepływów w mikrokanałach umożliwił precyzyjne manipulowanie kroplami o niewielkich objętościach. Operacje takie jak dzielenie, łączenie kropel i przemieszczanie ich w sieciach kanałów pozwalają na wykonywanie skomplikowanych protokołów na próbkach chemicznych lub biologicznych. Na seminarium przedstawione będą główne problemy, potencjalne zastosowania i wyniki ostatnich prac nad mechanizmami pozwalającymi na precyzyjną kontrolę kropel.

Novel nanocomposite foam for structural applications

The success of new materials developments depends on development of new processing techniques that can provide cost effective fabrication of structures and components with improved performance. This demands not only rapid development of new/improved processing techniques but also better understanding and control of material chemistry, processing, structure, physics, performance, durability, and, more importantly, relationships between these fields. This scenario usually involves multiple length and time scales and multiple processing and performance stages, which are sometimes only accessible via multi-scale / multi-stage modeling or simulation.
Some important issues of this integrated approach to materials, processes and applications will be reviewed in relation to the development of new foams (sandwich core) materials which can be applied mainly in wind turbine industry including also yachting and rail transportation applications. The major challenge in the development of these materials has been the combination of two different processing routes, one for the synthesis of nanocomposites and another for foaming. Therefore the choice of material components constituting a final core material and processing protocols must simultaneously compromise adequateness of the material composition to both processes and at the same time fulfilling industrial specification requirements. Several characterization and simulation results at different length scales that supported the development of core materials will be presented.

Inauguracja roku akademickiego 2013/14

Technologie Inteligentne dla Inżynierii Bezpieczeństwa. Wykład inauguracyjny.
Technologie Inteligentne rozumiane są tutaj jako mechatronika (czyli interakcja mechaniki, elektroniki oraz informatyki) stosowana do dużych konstrukcji inżynierskich, z ich pokaźną masą i wpływem bezwładności na odpowiedzi dynamiczne. Wymusza to semi-aktywne (nie zaś w pełni aktywne) strategie sterowania, pozwalające na samo-adaptację ustroju do zmiennych obciążeń środowiskowych.
Inżynieria Bezpieczeństwa rozumiana jest tutaj jako zespół technologii odpowiadających na różnorakie zagrożenia eksploatacyjne ustrojów inżynierskich. Przykładowo, tzw. Structural Health Monitoring (SHM) ma na celu automatyczne monitorowanie stanu technicznego konstrukcji, zaś tzw. Adaptive Impact Absorption (AIA) służy rozwiązaniom pozwalającym na łagodzenie skutków (losowych często) obciążeń udarowych.
Interakcja obu powyższych dziedzin tworzy obszar, w którym formalne procedury badawcze wraz z rozwiązaniami heurystycznymi odpowiadają na silnie umotywowane wyzwania technologiczne.
Przedstawiony zostanie kilkunastoletni dorobek Pracowni Inżynierii Bezpieczeństwa (w Zakładzie Technologii Inteligentnych) w nowo-tworzonym obszarze badawczym: Smart Technologies for Safety Engineering.

Modeling shot peening

Shot peening, high speed projection of several thousands small beads on the surface, is a classical surface treatment to improve fatigue life of materials and structures.
Its part is to introduce compressive residual stresses close to the surface that limit the initiation and propagation of a crack.
The principle of shot peening is to introduce a plastic strain field just on a few tenth o mm layer as it can be seen in the figure.

Modelling extreme deformation and dynamic behaviour of materials using multi-scale techniques and mesh-less methods

The seminar will present overview of computational mechanics research at the Centre for Advanced
Composite Materials of the University of Auckland. Our research covers both fundamental and applied aspects of material behaviour and failure processes. This presentation will encompass computational modelling of material deformation, damage and fracture using multi-scale techniques in conjunction with mesh-less methods, novel composite materials development and damage tolerance structural optimisation.
Multi-scale modelling of damage and fracture progression linking nano to macro scales and associated development of coupled computational modelling tools will be highlighted. The strengths of mesh-less methods will be illustrated with reference to both low to high-speed fractures and small to large scale problems. These include several dynamic fracture and fragmentation processes, such as hypervelocity impact fracture, nano-scale machining, large scale geo-mechanical failures (magma intrusion, caving, slope stability, etc).
One of our core areas to be presented is novel impact and blast resistant, light weight composite material developments for aerospace components subjected to high-speed loading and extreme deformations, as ccurs in the cases of debris impact on spacecrafts, bird strike on aircraft engines, blast induced failures, etc. Lastly novel shape and topology optimisation methodologies for damage tolerance optimisation, i.e. maximising the residual strength and fatigue life, of aero-structures will be highlighted. Case studies from projects with Royal Australian Air Force and Defence Science and Technology Organisation will be presented to demonstrate the practical implementation and utilities of the developed design and analysis methodologies.

Problemy symetrii afinicznej w mechanice i teorii pola. Ośrodki z mikrostrukturą

Challenges for computational biomechanics for medicine

Mathematical modelling and computer simulation have proved tremendously successful in engineering. One of the greatest challenges for mechanists is to extend the success of computational mechanics to fields outside traditional engineering, in particular to biology, biomedical sciences, and medicine. By extending the surgeon's ability to plan and carry out surgical interventions more accurately and with less trauma, Computer-Integrated Surgery (CIS) systems could help to improve clinical outcomes and the efficiency of health care delivery. CIS systems could have a similar impact on surgery to that long since realized in Computer-Integrated Manufacturing (CIM). However, before this vision can be realised the following four challenges must be met:

Challenge 1. Efficient generation of computational grids from medical images of human organs.

Challenge 2. Real-time (or near-real-time) computations on commodity hardware.

Challenge 3. Real-time simulation of cutting, damage and propagation of discontinuities.

Challenge 4. Mathematical formulations that are weakly sensitive to uncertainties in mechanical properties of tissues.
In this lecture I describe how the Intelligent Systems for Medicine Laboratory addresses these challenges by using explicit dynamics and dynamic relaxation algorithms implemented on GPU and developing a concept of an "image as a model".

Geometryczne i mechaniczne koncepcje Antoniego Gaudiego w projektowaniu konstrukcji

Modelowanie urazowych uszkodzeń mózgu przy użyciu równań opisujących płyny lepkosprężyste

Przedstawione będą wyniki symulacji numerycznych modelujących dynamikę wewnątrz mózgu w trakcie różnych traumatycznych scenariuszy (wypadki samochodowe, walki bokserskie, upadki narciarzy, itp.). Model numeryczny oparty jest na wprowadzonych przez nas różniczkowych równaniach cząstkowych opisujących propagację fal ścinania w ośrodkach lepkosprężystych, w których prędkość rozchodzenia się fal zależy wykładniczo od wielkości odkształcenia (uogólnione równania Naviera-Stokesa z dodatkowym członem nieliniowym). Omówione będą szczegóły naszego programu komputerowego, który pozwala rozwiązać te równania z dowolnymi warunkami brzegowymi.
Jednym z głównych naszych osiągnięć jest adekwatne modelowanie (dotychczas niewyjaśnionych) mechanizmów rozsianych uszkodzeń aksonów, które powstają w wyniku raptownych rotacyjnych przyspieszeń głowy i stanowią największy odsetek uszkodzeń mózgu, gdy czaszka pozostaje nieuszkodzona. Ponadto wyprowadzamy nowe kryterium urazu mózgu, które można stosować w wypadkach dowolnych przyspieszeń głowy. Istniejące dotychczas kryterium urazu głowy, które stanowi podstawę przepisów normatywnych w Unii Europejskiej, ma zastosowanie jedynie w wypadkach prostoliniowych przyspieszeń głowy. Wyniki naszych badań są pomocne np.: przy produkcji ulepszonych zabezpieczeń w samochodach lub zapewniających lepszą ochronę kasków sportowych, itp.; jak również w diagnozowaniu i leczeniu urazowych uszkodzeń mózgu.

Wave-based identification process and numerical method for structural vibrations analysis

Once a dynamical model is assessed and experimentally validated, the identification of components' structural properties becomes a key operation. It constraints the accuracy of the numerical predictions no matter how reliable and efficient the model can be. However, current reduced models are not always compatible with the complexity of the materials in use. The needed input parameters are sometime limited to bulk characteristics even for composite materials and assemblies.
For that purpose, the Inhomogeneous Wave Correlation (IWC) technique prooved to bring enough information, even for complex sub-elements, in order to perform efficient calculation in vibroacoustic and wave propagation. Predictive wave-finite element methods (WFEM) can therefore take a great benefits of such ready-to-implement parameters.
This presentation will give an overview of the process of identification with the IWC technique and of the application of the WFEM for the prediction of vibrations in complex structures. An application of such an approach will be illustrated by results obtained for the Structural Health Monitoring of stiffened panels and pipes as well as the vibroacoustics on composite boards and porous materials.

Fale dźwiękowe w ośrodkach porowatych o sztywnym szkielecie. Modelowanie makroskopowe i mikrostrukturalne, identyfikacja parametryczna

Propagacja i absorpcja fal dźwiękowych w otwartych ośrodkach porowatych o sztywnym szkielecie może być w bardzo efektywny sposób modelowana za pomocą modelu Johnsona-Allarda, który - podobnie jak wiele prostszych modeli - sprowadza materiał porowaty do dyspersyjnego efektywnego płynu akustycznego, co pozwala skorzystać z równania Helmholtza. Jest to jednak całkiem zaawansowany model uwzględniający zarówno efekty lepkie jak i termiczne; stanowi on ponadto fundament do modelowania fal dźwiękowych w materiałach poro-sprężystych za pomocą zaadaptowanego modelu Biota. Model Johnsona-Allarda (oraz jego pochodne) posługuje się co najmniej 6 parametrami makroskopowymi (porowatość, krętość struktury porów, przepuszczalność lepka i jej termiczny analogon, dwie charakterystyczne długości - dla efektów lepkich i termicznych). Parametry te w zasadzie mogą być wyznaczane eksperymentalnie, ale wymaga to zróżnicowanej aparatury. Tym ważniejszą staje się zatem parametryczna identyfikacja odwrotna, która - wraz z samym modelem makroskopowym - omówiona zostanie w pierwszej części referatu. Jako przykład pokazana zostanie identyfikacja parametrów dla pianki korundowej o wysokiej porowatości, otrzymana na podstawie pomierzonych krzywych impedancji akustycznej. Parametry makroskopowe mogą zostać również wyznaczone z pewnych numerycznych analiz mikrostruktury materiału porowatego. Tego typu modelowanie wieloskalowe stanowić będzie temat drugiej części wystąpienia. Parametry makroskopowe uzyskane dzięki obliczeniom MES wykonanym na reprezentatywnych elementach mikrostrukturalnych wygenerowanych dla ośrodków porowatych oraz włóknistych posłużą do wyznaczenia - za pomocą równań modelu Johnsona-Allarda - pewnych harmonicznych charakterystyk materiałowych, które znakomicie zgadzają się z krzywymi wyznaczonymi bezpośrednio z analiz harmonicznych MES. Modelowanie mikrostrukturalne zostanie również zweryfikowane za pomocą eksperymentu, w którym pomierzono pochłanianie dźwięku dla ośrodka wytworzonego ze swobodnie wsypanych sztywnych kulek. W tym kontekście będzie także omówione zagadnienie losowo generowanych periodycznych elementów objętościowych reprezentatywnych dla mikrostruktury danego ośrodka porowatego.

Poprawa efektywności modeli wieloskalowych poprzez zastosowanie statystycznej reprezentacji mikrostruktury

Wytwarzania produktów z nowoczesnych stali AHSS trzeciej generacji wymaga precyzyjnej kontroli obróbki cieplno-mechanicznej. Spowodowane jest to przede wszystkim zjawiskami zachodzącymi w mikrostrukturze materiału podczas odkształcenia oraz zmian temperatury. Projektowanie takich technologii wymaga zastosowania wieloskalowych modeli, ujmujących metalurgiczne zjawiska rekrystalizacji i przemian fazowych oraz mechaniczne procesy nadawania kształtu. Modele powinny umożliwić uzyskanie optymalnych parametrów procesów technologicznych ze względu na własności produktu. W prezentacji przedstawione zostaną dotychczas opracowane modele materiałowe w skali mikro oraz wyniki przeprowadzonych symulacji wieloskalowych dla ciągu produkcyjnego składającego się z walcowania, wyżarzania i tłoczenia. Nakład obliczeniowy potrzebny na wykonanie pełnych obliczeń wieloskalowych jest wciąż czynnikiem kluczowym, ograniczającym możliwość przeprowadzenia wielo-iteracyjnych procedur optymalizacji. Koncepcja redukcji nakładu obliczeniowego poprzez zastosowanie Statystycznie Podobnego Reprezentatywnego Elementu Objętościowego (ang. SSRVE) jest jednym z rozwiązań tego problemu poprzez uproszczenie domeny obliczeniowej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości wyników. Przedstawiona zostanie idea SSRVE, szczegóły implementacyjne oraz wyniki uzyskane z zastosowaniem SSRVE w modelowaniu wieloskalowym rzeczywistego procesu produkcyjnego. Dodatkowo omówione zostaną możliwości realizacji obliczeń z wykorzystaniem nowoczesnych środowisk obliczeniowych.

Wyznaczanie parametrów skóry ludzkiej in vivo za pomocą ultradźwięków wysokiej częstotliwości

Praca, dotyczy wykorzystania fal ultradźwiękowych o częstotliwości 20-30MHz, w kontekście ilościowej oceny tkanek skóry dotkniętych jednym z najczęściej występujących nowotworów - nowotworem podstawnokomórkowym. Celem jej było opracowanie metod, które obok standardowego obrazu USG, dostarczałyby dodatkowych informacji na temat badanej tkanki w postaci danych parametrycznych, ułatwiając tym samym diagnozowane jej stanu.
Poza tłem badawczym oraz szkicem obecnego stanu wiedzy, w pracy przedstawiono metody umożliwiające wyznaczanie takich parametrów ilościowych tkanki jak współczynnik tłumienia i współczynnik rozproszenia wstecznego fali ultradźwiękowej oraz sposoby oceny statystycznej amplitudy ech z tkanki. Zaprezentowane metody, wyznaczania współczynników tłumienia oraz rozproszenia wstecznego, oparto na dostępnych w literaturze rozwiązaniach, nie mniej jednak uzupełniono je o techniki umożliwiające kompensowanie wpływu aparatury pomiarowej. Analizę statystyczną sygnałów przeprowadzono przy wykorzystaniu funkcji gęstości prawdopodobieństwa określanej mianem rozkładu K, która jak wykazano, znacznie lepiej estymuje histogramy wartości obwiedni ech, aniżeli stosowany powszechnie w ultrasonografii rozkład Rayleigha. Możliwość wykorzystania parametru rozkładu K, efektywnej liczby rozpraszaczy (M), jako źródła informacji na temat mikrostruktury analizowanego ośrodka, sprawdzono eksperymentalnie poprzez wyznaczenie wartości tego parametru na podstawie sygnałów zarejestrowanych z wzorców tkankowych o różnej koncentracji struktur rozpraszających.
Opracowane metody wykorzystano do analizy sygnałów zarejestrowanych przez lekarzy dermatologów, od pacjentów z nowotworem podstawnokomórkowym oraz rogowaceniem posłonecznym, za pomocą specjalnie przystosowanego, na potrzeby realizacji niniejszej pracy mikrosonografu.
Otrzymane wyniki potwierdziły słuszność hipotezy o możliwości różnicowania stanu tkanek na podstawie ich oceny ilościowej. Wykazano, że wartość współczynnika tłumienia zmienia się istotnie zarówno w przypadku zmian nowotworowych oraz zmian przednowotworowych w stosunku do wartości wyznaczanych dla skóry zdrowej. Zmiany wartości współczynnika rozproszenia wstecznego występują wyłącznie w przypadku tkanek ze zmianami nowotworowymi. Wartości parametru M, wyznaczone w wyniku oceny statystycznej, również wykazały istotne różnice w przypadku skóry zdrowej oraz skóry ze zdiagnozowanym stanem przedrakowym w stosunku do wartości otrzymanych dla rozproszenia w zmianach nowotworowych.
Interpretacja otrzymanych wyników, stała się możliwa poprzez opracowanie numerycznego modelu skóry, który umożliwił symulację sygnałów rozproszonych w tkance w różnym stadium zaawansowania choroby nowotworowej. Zasymulowane sygnały poddane zostały analizie statystycznej. Otrzymane wyniki wykazały, że obserwowany doświadczalnie, w przypadku zmian nowotworowych, spadek parametru M jest z dużym prawdopodobieństwem związany z zastąpieniem włókien kolagenowych przez komórki nowotworowe. Potwierdza to tym samym hipotezę, że wartości wyznaczanych parametrów powiązane są z mikrostrukturą analizowanej tkanki i mogą stanowić one dodatkowe źródło informacji na temat jej stanu.

Modelowanie kinetyki krystalizacji polimorficznej i płytkowej w polimerach

Mikroskopia orientacji krystalograficznych w badaniach mikrostruktury. Nowe możliwości i propozycje

Obrazowanie parametryczne tłumienia fali ultradźwiękowej w tkance miękkiej

Tematem referatu jest metoda parametrycznego obrazowania ultradźwiękowego do zastosowania w diagnostyce medycznej. Klasyczny obraz USG stanowi mapę współczynników odbicia na granicach obszarów różniących się impedancją akustyczną. Prezentowana metoda służy do tworzenia map współczynników tłumienia fali ultradźwiękowej propagującej się w tkance miękkiej. Metoda bazuje na śledzeniu zmian częstotliwości średniej widma sygnału w funkcji głębokości, przy założeniu liniowej zależności tłumienia od częstotliwości.
Do estymacji tłumienia wykorzystywane są te same dane wejściowe, które używane są do tworzenia obrazów klasycznych, dlatego jej potencjalna implementacja nie wymagałaby modyfikacji konstrukcji aparatów ultradźwiękowych, a jedynie stworzenia odpowiedniego oprogramowania i zapewnienia dodatkowej mocy obliczeniowej w systemie. Mapy tłumienia nie mogą zastąpić obrazów tworzonych w sposób klasyczny, ale mogą dostarczyć dodatkowych informacji diagnostycznych, normalnie niedostępnych dla lekarza.

Numeryczne modelowanie procesów metalurgii proszków metodą elementów dyskretnych

O odwrotnym ścięciu bliźniaczym w materiałach RSC

Po usunięciu obciążenia mechanicznego w plastycznie zbliźniaczonym krysztale pozostaje na trwale zmiana kształtu opisywalna macierzą deformacji S oraz zmianą orientacji krystalograficznej opisywalna macierzą reindeksacji R. Obydwa efekty plastycznego odkształcenia bliźniaczego są zintegrowane poprzez koncepcję korespondencji pomiędzy sieciami bliźniaka i osnowy i opisywalne macierzą korespondencji C, która jest iloczynem macierzy S i R; C=RS. Odwrócenie obydwu efektów plastycznego odkształcenia bliźniaczego mogłoby nastąpić na wskutek operowania plastycznego ścięcia w sieci bliźniaka opisywalnego macierzą C^-1. Głównym celem referatu jest pokazanie danych doświadczalnych oraz metod analizy identyfikacji plastycznego ścięcia C^-1 sieci RSC indukowanego w monokryształach Cu-8.5%at.Al poprzez zastosowanie drogi odkształcenia złożonej z pierwotnego rozciągania oraz wtórnego ściskania. Ażeby to uzyskać, zaprojektowano oryginalną procedurę eksperymentalną, która umożliwiła jednoznaczną identyfikację krystalograficzną, najpierw, ścięcia bliźniaczego sieci RSC opisywalnego macierzą C, a następnie macierzą C^-1. Ponadto, w badanych monokryształach Cu-8.5%at.Al wyznaczono doświadczalnie wartości krytycznych naprężeń aktywacji ścięcia bliźniaczego C oraz jego odwrotności C^-1.

Science Platforms: Managing Computational Workloads and Resources

Scientists today are exploring the use of new tools and computing platforms to do their science. They are using workflow management tools to describe and manage complex applications and are evaluating the features and performance of clouds to see if they meet their computational needs. Although today, hosting is limited to providing virtual resources and simple services, one can imagine that in the future entire scientific analysis will be hosted for the user. The latter would specify the desired analysis, the timeframe of the computation, and the available budget. Hosted services would then deliver the desired results within the provided constraints.This talk describes current work on managing scientific applications on the cloud, focusing on workflow management and related data management issues. Experimental results show the impact of data storage choice on workflow performance. Frequently, applications are not represented by single workflows but rather as sets of related workflows-workflow ensembles. Thus, hosted services need to be able to manage entire workflow ensembles, evaluating tradeoffs between completing as many high-value ensemble members as possible and delivering results within a certain time and budget. The talk presents a range of algorithms that provision and schedule workflow ensembles while satisfying the user-defined budget and deadline constraints. The algorithms are evaluated via simulation using a set of realistic scientific workflow ensembles.

Konwersja momentu pędu typu spin - orbit w elementach nanofotoniki

Numeryczne aspekty homogenizacji obliczeniowej dla materiałów niesprężystych

Praca dotyczy rozwijania metod homogenizacji obliczeniowej z uwzględnieniem deformacji niesprężystych. W podejściu korzystającym z reprezentatywnych elementów objętościowych (RVE) zajmujemy się redukcją ich liczby, oszacowaniem błędu homogenizacji oraz zastosowaniem hp-adaptacyjnej meody elementów skończonych dla sformułowań przemieszczeniowych i dwupolowych (mixed) wyższego stopnia dla zagadnień sprężysto-plastycznych. Dodatkowo rozwijana jest t.zw. homogenizacja lokalna dla zagadnień lepko-sprężystych.

Identyfikacja obciążeń dynamicznych i jej zastosowania dla celów monitorowania stanu technicznego konstrukcji

Wpływ szumu na stabilność atraktorów w układzie bistabilnym

Analiza deformacji i zniszczenia struktur komórkowych w zastosowaniu do symulacji procesu infiltracji pianki korundowej ciekłym metalem.

Współpraca nauki z biznesem - czy to możliwe? - wrażenia z udziału w ministerialnym programie TOP500 Innovators

Nowe spojrzenie na własności mechaniczne i termomechaniczne ceramiki ogniotrwałej

Zastosowanie adaptacyjnej metody elementów skończonych do problemów odwrotnych rozpraszania fal elektromagnetycznych

Praca przedstawia studium rozwiązywania 3D problemów odwrotnych rozpraszania fal elektromagnetycznych. Zagadnienie odwrotne polega na odtworzeniu rozkładu przestrzennego zespolonej przenikalności elektrycznej obiektu z dielektryka na podstawie pomiarów rozpraszanych przez niego fal pochodzących z wielu źródeł. Zarówno punkty pomiarowe jak i źródła fal znajdują się w bliskim otoczeniu obiektu. Rozwiązanie odwrotne jest otrzymywane przez minimalizacje różnicy miedzy faktycznymi falami rozpraszanymi a rozwiązaniami otrzymanymi dla próbnych rozkładów przenikalności elektrycznej. Zadania rozpraszania są rozwiązywane za pomocą MES z możliwą adaptacją. Prezentowana technika może służyć do nieinwazyjnego prześwietlania obiektów biologicznych w celach diagnostycznych.

Migracja giętkich mikrowłókien pod wpływem przepływu Poiseuille\'a w mikrokanale.

Adaptacyjny system sterowania ze sprzężeniem zwrotnym dla redukcji emisji wibroakustycznej

Na seminarium przedstawiony zostanie projekt oraz realizacja adaptacyjnego systemu aktywnej redukcji transmisji wibroakustycznej konstrukcji płytowych. Omówione zostaną algorytmy sterowania optymalnego oraz adaptacji układu do zmiennych parametrów wymuszenia zewnętrznego, opracowane na potrzeby realizacji zamierzonych celów. Przedstawione zostaną sposoby sprzętowej i programowej implementacji poszczególnych elementów stworzonego systemu. Tematyka prezentowanych zagadnień obejmuje krótki przegląd zagadnień teoretycznych związanych z metodami aktywnej redukcji drgań i hałasu oraz opis i wyniki przeprowadzonych badań numerycznych i doświadczalnych.

Analiza wiarygodności numerycznych symulacji przepływów w oparciu o wzorce eksperymentalne

Doświadczalne i numeryczne badania tłoczności blach przy złożonych ścieżkach odkształcenia

Quantitative measurements at nanoscale

Atomic Force Microscopy (AFM) is well established as an imaging tool. Offering tens of pN force sensitivity and sub-nanometer displacement measurements, AFM can be used as a measuring tool. Quantitative measurements using AFM are a little bit more difficult than imaging.
We successfully studied Carbon nanotubes (CNT) [1, 2], Microtubules [3], local mechanical properties of Bones [4] and reliably, size of nano-particles [5].
Optical Tweezers were used as 3D intracellular nanomanipulator [6]. First measurements of intracellular elasticity will be presented.

1. Salvetat, J.P., G.A.D. Briggs, J.M. Bonard, R.R. Bacsa, A.J. Kulik, T. Stockli, N.A. Burnham, and L. Forro, Elastic and shear moduli of single-walled carbon nanotube ropes. Physical Review Letters, 1999. 82(5): p. 944-947.
2. Kis, A., G. Csanyi, J.P. Salvetat, T.N. Lee, E. Couteau, A.J. Kulik, W. Benoit, J. Brugger, and L. Forro, Reinforcement of single-walled carbon nanotube bundles by intertube bridging. Nature Materials, 2004. 3(3): p. 153-157.
3. Kis, A., S. Kasas, B. Babić, A. Kulik, W. Benoît, G. Briggs, C. Schönenberger, S. Catsicas, and L. Forró, Nanomechanics of Microtubules. Physical review letters, 2002. 89(24): p. 248101.
4. Hengsberger, S., A. Kulik, and P. Zysset, Nanoindentation discriminates the elastic properties of individual human bone lamellae under dry and physiological conditions. Bone, 2002. 30(1): p. 178-184.
5. Lee, K., M. Duchamp, G. Kulik, A. Magrez, J.W. Seo, S. Jeney, A.J. Kulik, L. Forró, R.S. Sundaram, and J. Brugger, Uniformly dispersed deposition of colloidal nanoparticles and nanowires by boiling. Appl. Phys. Lett., 2007. 91(17): p. 173112.
6. Bertseva, E., A.S.G. Singh, J. Lekki, P. Thévenaz, M. Lekka, S. Jeney, G. Gremaud, S. Puttini, W. Nowak, G. Dietler, L. Forro, M. Unser, and A.J. Kulik, Intracellular nanomanipulation by a photonic-force microscope with real-time acquisition of a 3D stiffness matrix. Nanotechnology, 2009. 20(28).

Interdyscyplinarna metodyka oceny degradacji materiałów poddawanych laboratoryjnie symulowanym obciążeniom eksploatacyjnym

Sampling phased array ultrasonic examination of CFRP components using reverse phase matching

There is an increasing demand for CFRP (carbon fiber reinforced plastics) materials due to its high strength to weight ratio. The modern day aircraft industries are planning to replace existing structures with 100 % CFRP structures. On the other hand, the quantitative ultrasonic nondestructive evaluation has an important role in the remaining life assessment of these structures but ultrasonic examination and evaluation of CFRP materials are difficult due to its anisotropic behavior. The Phased array ultrasonic testing shows many advantages when compared to the conventional single element ultrasonic testing. Sampling phased array (SPA) which is developed in Fraunhofer institute is a Novell phased array ultrasonic technique that has potential advantages compared to traditional phased array techniques. One of the advantages is Quantitative inspection (2D and 3D) of anisotropic materials using reverse phase matching. By principle, SPA allows image reconstruction and tomographic algorithms like SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) for enhanced defect sizing. SAFT combined with SPA are already developed for isotropic materials. Implementation of SAFT for CFRP components is difficult due to its directional dependent velocities. These velocities are computed using ray tracing simulation with the input from the stiffness matrix of the material. Usually, the elements in the stiffness matrix can either be measured or evaluated numerically by using Brut force algorithm. The complexity of the inspection increased when curved geometries are inspected. In this paper, reverse phase matching algorithm is demonstrated for inspecting CFRP components. The results show the potential advantages of SPA technique for ultrasonic inspection of such materials.

Makroskopowy model pseudosprężystości: podejście energetyczne i metoda rozszerzonych mnożników Lagrange\'a

Mechaniczne modelowanie cienkich warstw

Akustyczne fale powierzchniowe w kryształach piezoelektrycznych. Zastosowanie fal akustycznych w mikroprzepływach

Głównym tematem seminarium jest modelowanie akustycznych fal powierzchniowych (AFP) [ang.: "Surface Acoustic Waves (SAW)"] -- tzw. fal Rayleigha oraz fal Lamba -- w kryształach piezoelektrycznych. W tym celu najpierw zaprezentowane zostaną podstawy teoretyczne propagacji fal akustycznych w ośrodkach anizotropowych, z ewentualnym uwzględnieniem efektu piezoelektrycznego. Następnie omówiona będzie procedura wyznaczania fal powierzchniowych Rayleigha oraz Lamba w tego typu ośrodkach, co zilustrowane zostanie przykładami. Temat fal powierzchniowych, jak również przykładowe wyniki bazujące na rozwiązaniach analitycznych, prezentowane będą w kontekście modelowania zagadnień wykorzystujących fale akustyczne w mikroprzepływach [ang.: "acoustofluidics", "acoustic microfluidics"], a konkretnie problemu manipulacji cząstkami zawieszonymi w płynie podczas przepływu w mikro-kanale za pomocą sił promieniowania akustycznego wywołanego przez AFP. W tym celu na początku seminarium pokazane zostaną przykładowe rezultaty odpowiednich badań eksperymentalnych prowadzonych w Ecole Centrale de Lyon we Francji, natomiast w końcowej części wystąpienia omówione zostaną aspekty modelowania tegoż zagadnienia metodą elementów skończonych w środowisku COMSOL Multiphysics.

Wszystko czego nie wiecie o patentach, a nie macie czasu sami doczytać cz.II

Na wykładzie zostaną przedstawione Państwu instrumenty ochrony własności intelektualnej dla wynalazków oraz związane z tym zaganiania: - pierwszeństwo, zakres terytorialny, ochrona z patentu, - zakres ochrony patentowej, - zdolność patentowa (nowość, poziom wynalazczy, przemysłowe zastosowanie), - ograniczenia zdolności patentowej, - uzyskanie ochrony patentowej o zakresie międzynarodowym, - procedura postępowania przed UPRP, EPO, w zgłoszeniu PCT, - badania patentowe, - dokument patentowy, - specyfika zgłoszeń patentowych z zakresu wynalazków realizowanych komputerowo.

Transformacje grafowe w projektowaniu wspomaganym komputerowo i algorytmach hp-adaptacji

Tematyka wykładu obejmuje transformacje grafowe oraz ich zastosowania w wielu obszarach ludzkiej działalności wspomaganej komputerem. Rozważane będą transformacje różnych typów grafów, takich jak hipergrafy, grafy warstwowe oraz grafy kompozycyjne. Przedstawione zostaną zastosowania w projektowaniu architektonicznym wspomaganym komputerem, do opisu rozgrywek w grach komputerowych oraz w algorytmach adaptacyjnych wykorzystujących siatki obliczeniowe.

Minimalizacja energii w mikromechanice materiałów

Alloy design from elastic softening, Gum Metal and high strength iron based alloy

One can increase the strength of metallic materials by pinning dislocations with nanoscale obstacles, as the dislocations facilitate plastic deformation. However, simultaneous achievement of the ultrahigh strength and the ductility is extremely difficult in conventional metallic materials. In the present talk, we show that the ultrahigh strength alloys with enhanced ductility can be realized by introducing the paradox concept of lattice softening. Strong elastic anisotropy with reduced shear modulus, C11- C12, results in low ideal shear strength, which implies dislocation mediated plasticity easily occurs at lower stress. However, we have found that such alloys with elastic softening can be strengthened up to ideal strength. Mechanism for the strengthening will be discussed in a multifunctional Ti-Nb base alloy which we call Gum Metal, and in an Fe-Ni base alloy with ultimate tensile strength of 3 GPa.

Rozchodzenie się powierzchniowych fal Love\'a w falowodach sprężystych obciążonych na powierzchni cieczą lepką (Newtonowską)

Dynamika układów wielocząstkowych opadających grawitacyjnie w lepkim płynie

Na seminarium przedstawię wyniki mojej pracy doktorskiej, gdzie został przebadany wpływ płaskiej pionowej ściany na ewolucję kropli zawiesiny opadającej pod wpływem siły grawitacyjnej w lepkim płynie dla liczb Reynoldsa znacznie mniejszych od jedności. Płyn wewnątrz i na zewnątrz opadającej kropli był identyczny, a cząstki początkowo były przypadkowo rozmieszczone wewnątrz sferycznej objętości. Wykonano eksperymenty i symulacje numeryczne. W doświadczeniach badana była ewolucja kropel złożonych z cząstek szklanych w glicerynie. Do obliczeń numerycznych zastosowano model cząstek punktowych. Najważniejszym wynikiem jest stwierdzenie, że w obecności pionowej ściany czas i długość destabilizacji kropli ulegają skróceniu.

Strategia badawcza przemysłu lotniczego

Obecna strategia badawcza przemysłu lotniczego powstaje z inicjatywy Polskiej Platformy Technologicznej Lotnictwa i jest wynikiem ponad rocznej pracy zespołu ekspertów reprezentujących przemysł lotniczy oraz sektor badawczy. Zamierzeniem obecnej strategii, w odróżnieniu od wcześniejszych dokumentów, jest:

• rozszerzenie horyzontu czasowego do roku 2035;
• szersze uwzględnienie kontekstu krajowego i europejskiego (strategia Europa 2020, Flightpath 2050, Krajowy Program Reform);
• pełniejsze uwzględnienie potrzeb badawczych i innowacyjnych przemysłu;
• reakcja na postępujący wzrost krajowego potencjału badawczego (w wyniku realizacji programów POIG i POKL).

Identyfikacja i modelowanie procesów dojrzewania w betonach

Randomness and fractals in mechanics of materials

Microstructural randomness is present in just about all solid materials. When macroscopic length scales are very large relative to microscale ones, one can quite safely work within deterministic solid mechanics. However, when the separation of scales does not hold, various concepts of continuum mechanics need to be re-examined and new methods developed. We first show the approach to a representative volume element (RVE) in terms of two hierarchies of bounds stemming, respectively, from uniform kinematic and traction boundary value problems set up on a statistical volume element (SVE). This finite-size scaling is illustrated in the settings of conductivity, linear/finite (thermo)elasticity, plasticity, and Darcy permeability. This methodology then forms a physical basis for developing locally anisotropic, mesoscale continuum random fields and stochastic finite element methods. The above approach also allows one to ask the question: Does the elastic-plastic transition display a fractal character? We address this issue in 2d and 3d settings, where the grain-level properties are weak- and white-noise random fields. We find that, under monotonic loadings of kinematic and traction type applied to the SVE, plasticized grains form evolving fractal patterns and gradually fill the entire material domain, while the sharp kink in the stress-strain curve is replaced by a smooth transition. This is universally the case for a wide range of different elastic-plastic materials of metal or soil type, made of isotropic or anisotropic grains, possibly with thermal stress effects. By analogy to scaling analyses of phase transitions, we recognize the fully plastic state as a critical point and find the critical exponents to be universal in 2d and 3d, regardless of the randomness in various constitutive properties and their random noise levels.

Rekonstrukcja atomistycznych modeli dyslokacji z wykorzystaniem teorii skończonych deformacji

Defect detection and sizing in pipes by torsional guided waves: numerical and experimental analysis

Procesy starzeniowe w ceramice elektrotechnicznej

Rozkład zdolności magazynowania energii w obszarze niejednorodnej deformacji plastycznej

Pochodna topologiczna wrażliwości względem zlokalizowanych zmian niejednorodności materiałów

Analiza aktywnych procesów destrukcyjnych jako narzędzie diagnostyki konstrukcji inżynierskich - metoda emisji akustycznej

The great East-Japan earthquake: tsunami and accident of Fukushima nuclear power plants

Mathematical modelling of biological growth

Examples of growing biological tissues and bodies and different types of biological growth will be given. Results of own experiments on growing plant leaves and roots will be presented and principles of biological growth will be summarized. Control over the optimal reinforcement of the growing tissues, optimal geometry and interconnection between form and function will be discussed. An overview of mathematical models of biological growth including lumped-parameter, multi-phase and quasi one-phase models will be done. Importance of mechanical factors and applications in tissue engineering will be discussed.

O hydrodynamice grup mikrocząstek opadających grawitacyjnie

Grupy wielu przypadkowo rozmieszczonych, bliskich ale nie stykających się cząstek opadające grawitacyjnie w płynie o zaniedbywalnie małej bezwładności ewoluują w zdumiewający sposób. Podobnie zachowują się kropelki płynu o większej gęstości. Aby się o tym przekonać, wystarczy wpuścić maleńką kropelkę śmietanki lub atramentu do szklanki nieruchomej wody. Na seminarium pokażę, jak z równań Stokesa można numerycznie wyznaczyć podstawowe cechy dynamiki takiej grupy wielu cząstek oddziałujących między sobą tylko hydrodynamicznie. Omówię proste modele, które pomagają zrozumieć podstawowe cechy ewolucji kropelek zawiesiny opadających w lepkim płynie.

Modelowanie numeryczne i analiza strukturalna wielokrotnego rozpraszania fal akustycznych w strukturach złożonych: Przykład modelowania struktury i analizy rozpraszania ultradźwięków dla kości beleczkowej

Wpływ warunków elektroprzędzenia na strukturę i właściwości jedno- i dwuskładnikowych nanowłókien polimerowych stosowanych w inżynierii tkankowej

Wpływ interlaminarnych defektów na przewodnictwo ciepła w ośrodkach wielowarstwowych

Generatory siatek i ich zastosowanie do adaptacyjnego rozwiązywania zagadnień brzegowych

Studium rozwojowe adaptacyjnego absorbera energii uderzenia, wyposażonego w gazowy zawór piezoelektryczny

Zagadnienia odwrotne w modelowaniu wieloskalowym

Równania reakcji-dyfuzji modelujące fale wapniowe z szybkim buforowaniem w środowisku lepkosprężystym

Projektowanie i mikrostruktura kompozytów cementowych o zredukowanej emisyjności CO2

Konsekwencje zasady stacjonarności działania dla ciał dyssypatywnych

Szacowanie wielkości i położenia defektów podpowierzchniowych za pomocą impulsowej termografii podczerwieni

Uśrednianie tolerancyjne i efekty skali w elastodynamice laminatów

Towards a bottom-up approach of blood flow

Blood is a complex fluid, and is predominantly composed by red blood cells (RBCs) that dictate its rheology. Unlike simple fluids, constitutive laws describing blood flow from a bottom-up approach (i.e. by taking explicitly into account the corpuscular nature of blood in order to extract macroscopic laws) remains to be done. Since the seminal work of Poiseuille (in the 19th century) until the end of the 20th century blood flow has been described by means of phenomenological continuum models that require many assumptions which are difficult both to justify and to validate. Most of the blood flow resistance occurs in the microvasculature (where oxygen is delivered by RBCs to bodily tissues) where it is clear that the corpuscular nature of blood cannot be disregarded, given the fact that the size of RBCs is of the order of that of blood vessels (but this does not exclude the relevance of the corpuscular nature in larger blood vessels, such as arteries and veins). After a general introduction, we present the current state of the art in modeling blood flow, with comparison, when possible, to experiments. Various methods are used to solve these problems, such as analytical perturbative methods, boundary integral formulation (based on the Greens functions techniques), phase-field and level-set approaches, Lattice Boltzmann methods. We shall briefly describe the virtues and drawbacks of each method. We shall present several achievements for a single entity under shear, Poiseuille, and Couette flows. We then describe results for a collection of entities, their interactions, their rheology, their clustering etc.
References

• P. M. Vlahovska, T. Podgorski and C. Misbah. Vesicles and red blood cells in flow: From individual dynamics to rheology, Compte Rendus Physique, 10, 775 (2009).
• B. Kaoui, G. Biros, and C. Misbah. Why do Red Blood Cells have Asymmetric Shapes even in a Symmetric Flow?, Phys. Rev. Lett. 103, 188101 (2009).
• T. Biben, A. Farutin, C. Misbah. Three-dimensional vesicles under shear flow: numerical study of dynamics and phase diagram, Phys. Rev. E 83, 031921 (2011).
• G. Ghigliotti, A. Rahimian, G. Biros, C. Misbah. Vesicle Migration and Spatial Organization Driven by Flow Line Curvature, Phys. Rev. Lett. 106, 028101 (2011).
• B. Kaoui, N. Tahiri, T. Biben, H. Ez-Zahraouy, A. Benyoyssef, G. Biros, C. Misbah. Complexity of Vesicle Microcirculation, Phys. Rev. E 84, 041906 (2011).

Minimalizacja podatności tarcz przy dwuparametrowym obciążeniu. Projektowanie rozkładu modułów sprężystych

Współczesne trendy w robotyce mobilnej

Optymalne projektowanie słupów wsporczych energetycznych linii napowietrznych poddanych dynamicznemu działaniu wiatru

O losach leku w organizmie ludzkim

Progresywna delaminacja cienkiej warstwy obciążonej siłą skupioną

Anomalous behavior of materials at small scale in a thermodynamically active environment

The emergence of high order behavioral and structural complexities in systems thrown and kept away from equilibrium motivates researchers in physics, chemistry, biology and ecology. The current observations of nano-scale phenomena teach us that the unexpected is often the most expected and, consequently, our near equilibrium intuition can be deceptive. The question is: What makes simple systems evolving into hierarchical complex entities? The approach proposed by Prigogine (minimum entropy production concept) offers some promise.

Mikromechanika zjawisk zlokalizowanego zniszczenia w ciałach niesprężystych, wywołanych adiabatycznymi procesami dynamicznymi

Efekty materiałowe generowane obciążeniem monotoniczno-cyklicznym

Biomechanika molekularna

Obecnie biomechanicy koncentrują się głównie na badaniach rozkładu sił w żywej materii. Strukturą i mechanizmem generacji siły, czyli biosilnikiem zajmują się głównie biochemicy i biofizycy, ponieważ procesy generacji siły odbywają się na poziomie molekularnym. Ścisła współpraca biomechaników z biochemikami i biofizykami mogłaby zainicjować nową w Polsce dziedzinę: biomechanikę molekularną, a tym samym, znacznie przyspieszyć konstrukcję nanosilników i nanorobotów. W referacie przedstawiona zostanie oryginalna koncepcja biosilnika oparta na wynikach zawartych w pracy pt. Geometrical conditions indispensable for muscle contraction (L. Skubiszak, Int. J. Mol. Sci. 2011, 12, 2138-2157; doi:10.3390/ijms12042138).

Analiza efektów sprzężeń termomechanicznych i emisji akustycznej w badaniach aktywności przemiany martenzytycznej stopu z pamięcią kształtu

O złożoności obliczeniowej problemów matematyki ciągłej

Adaptacyjne podwozia lotnicze - koncepcje i badania

Identyfikacja obciążeń dynamicznych w czasie rzeczywistym (doktorat)

Półaktywny układ sterowania w optymalizacji trajektorii ruchomego obciążenia (doktorat)

O hydrodynamice i reologii układów wielu mikrocząstek przepuszczających wodę

Nonlinear Thermomechanical Behaviour of Polymer Foam Cored Sandwich Structures

Polymer foam cored sandwich structures are being used increasingly for a variety of applications including wind turbine blades, boat hulls and ship structures to mention a few. Sandwich structures are often subjected to aggressive service conditions which may include elevated temperatures. The material properties of foam cored sandwich structures depend on the temperature field imposed, and this is usually ignored in engineering analysis and design. Polymer foam core materials are particularly sensitive to elevated temperatures, and a significant reduction of the mechanical properties may occur well within the operating range of temperatures. Moreover, significant reduction of the properties occurs at much lower temperatures than the temperatures where a complete loss of stiffness and strength is experienced. Previous research has shown that thermal degradation (softening) of polymer foam core materials exert a significant influence on the performance of sandwich structures. More specifically, the degradation of the core properties with rising temperature lowers the buckling resistance. In addition, when external mechanical loads act simultaneously with thermal loads, the material degradation may shift the response from being linear and stable into being nonlinear and unstable. This is especially pronounced when thermal gradients are present across the sandwich panel thickness, and when the heated (warmest) face sheet is subject to compressive loading/stresses.

Analiza eksperymentalna wpływu prędkości odkształcenia i temperatury na zachowanie się stali budowlanych dla potrzeb konstrukcji ochronnych i obronnych

Obliczenia wieloskalowe w heterogenicznych środowiskach sprzętowych

W czasie prezentacji przedstawione zostaną możliwości implementacji algorytmów do obliczeń wieloskalowych z wykorzystaniem heterogenicznych środowisk obliczeniowych. Szczególny nacisk położony zostanie na omówienie realizacji frameworku do automatów komórkowych dedykowanego do modelowania zjawisk materiałowych w skali mikro. Przedstawione zostaną przykłady wykorzystania frameworku, a także szczegóły jego implementacji dla konwencjonalnych procesorów CPU (C++) oraz dla procesorów kart graficznych (OpenCL). Następnie przedstawiona zostanie implementacja metody elementów skończonych, również dla heterogenicznych środowisk obliczeniowych

Ocena wytrzymałości wiązania warstwy przejściowej w kompozytach Al2O3-Ni

Wyznaczanie dyfuzyjności cieplnej metodą aktywnej termografii podczerwieni

Mikromechaniczne modelowanie metali i stopów o wysokiej wytrzymałości właściwej(przedstawienie pracy habilitacyjnej)

Modelowanie dyskretne materiałów granulowanych

Wieloskalowe fizyczne i matematyczne modelowanie zjawiska utraty spójności stopu MgCa08

The multi scale physical and numerical modeling of the MgCa0.8 alloy fracture phenomena. Purpose: Magnesium alloys with increased bio-compatibility are applied in medicine for sake of high compatibility and solubility in human organism. Production of surgical threads to integration of tissue can be application of these types of alloys. Excellent and promising properties of MgCa0,8 alloy are specified as strength and biological stability for a long implantation, which are thereby focus of interest. The MgCa0,8 magnesium alloy have a low plasticity during cold deformation therefore the drawing process of thin wire is difficult. Prediction of wire fracture in a drawing process of MgCa0,8 alloy is very important from theoretical and practical point of views. Model of fracture is important element to elaboration, because of optimization of drawing process model. The fracture models in macro scale is not predict the important phenomena

Analiza procesów płynięcia materiałów granulowanych w modelach silosów - przedstawienie pracy habilitacyjnej

Modelowanie niespecyficznej obrony immunologicznej na poziomie komórki

O dynamice i reologii wodnego mikroświata cząstek miękkich

Nowoczesne technologie biologiczne, medyczne i przemysłowe często wykorzystują zawiesiny mikrocząstek miękkich, czyli takich, które wewnątrz zawierają substancję stałą o skomplikowanej strukturze oraz wypełniający ją płyn. Cząstkami miękkimi są np. skłębione polimery, mikrożele, polimery gwiaździste, fraktalne agregaty cząsteczek czy też cząstki o twardym kulistym rdzeniu, do którego przyczepiona jest polimerowa otoczka, przepuszczająca wodę. Podstawowym problemem, dotąd nie rozwiązanym, jest teoretyczny opis dynamiki i reologii zawiesin miękkich cząstek. Na seminarium przedstawione zostaną najnowsze wyniki teoretyczne dla takich układów, uzyskane przez zespół: G.C. Abade, B. Cichocki, M.L. Ekiel-Jeżewska, G. Naegele oraz E. Wajnryb. Podane i przedyskutowane będą współczynniki dyfuzji własnej i kolektywnej, sedymentacji, dyfuzji zależnej od wektora falowego oraz lepkości.

Adaptacyjne konstrukcje pneumatyczne do kontrolowanego rozpraszania energii uderzeń

Określanie lepkosprężystych wlasności tkanki naskórka za pomocą czujników piezoelektrycznych

Pojęcie i właściwości energii w dyskretnych i lepkosprężystychukładach dynamicznych z pamięcią. Praca habilitacyjna.

Modelowanie skończonych zmian konfiguracji wskutek zużycia kontaktowego

Modelowanie interakcji bio-resorbowalnego materiału kościozastępczego z tkanką kostną

Izolacja i lokalne monitorowanie stanu technicznego fragmentów konstrukcji (Substructure isolation and local structural health monitoring)

Modelowanie pneumatycznych procesów formowania supercienkich włókien.

Modelowanie konstytutywne materiałów dysypatywnych

Ultradźwiękowa charakterystyka tkanek. Wybrane zagadnienia z prac prowadzonych w Zakładzie Ultradźwięków

Izolacja i lokalne monitorowanie stanu technicznego fragmentów konstrukcji (Substructure isolation and local structural health monitoring)

Optymalizacja odpornościowa konstrukcji o parametrach losowych. Wybrane zagadnienia z pracy habilitacyjnej.

Zastosowanie modelu fotoutwardzania kompozytów polimerowych w stomatologii zachowawczej

Model mechaniczny tkanki naskórka i jego wrażliwość parametryczna

Technologie inteligentne dla inżynierii bezpieczeństwa

Modelowanie właściwości efektywnych oraz zniszczenia kompozytów ceramiczno-metalowych typu interpenetrating networks

Metoda odwrotna wyznaczania grubości i właściwości sprężystych cienkich warstw za pomocą fal Love\'a (Audytorium na I. piętrze)

Mechaniczna synteza jako metoda wytwarzania stopów o zróżnicowanej strukturze

Zastosowanie analizy modalnej do oceny degradacji sztywności połączeń w konstrukcjach prętowych

Optymalizacja kształtu i topologii dla zagadnień kontaktowych

Modelowanie deformacji plastycznych w kryształach metali metodą przyrostowej minimalizacji energii

Optymalizacja dyskretna dużych układów konstrukcyjnych

Strategia rozwoju i prace badawcze KGHM Polska Miedź S.A. (godz. 9:00)

Model polikryształu stopu z pamięcią kształtu jako agregatu bikryształów

Modelowanie i komputerowa symulacja adaptacyjnej przebudowy kości

Modelowanie procesów plastycznej deformacji metali dla złożonych ścieżek obciążenia

O równaniach zgodności, MES i modelowaniu naprężeń resztkowych w kryształach

Nano-micro-macro-analysis for clays

Clays are micro-inhomogeneous materials consisting of nano-scale platelet minerals, which are chemically active. They have number of applications including engineered buffers for the entrapment of radionuclides that can be released in deep geological disposal of high-level nuclear waste, slurry walls used to support temporary excavations for construction and in chemical engineering as a starter material for synthesizing new intercalation compounds. Clays consists of minerals which frequently form stacks together with fluids (mainly water and air). Typical examples of clay are bentonite and kaolinite. These clays show very different characteristics. For example, bentonite can swell with the addition of water, whereas kaolinite leads to strong mineral-based surface tension which works as an internal force under unsaturated conditions. These processes are governed by their molecular characteristics. This behaviour is examined by applying molecular dynamics (MD) simulations and multi-scale upscaling analyses. This lecture deals with the microscopic characterization of clays and the diffusion behaviour of cations including sorption, and dissolution of clay minerals under high pH condition. The development of surface tension in kaolinite is also discussed.
The next step follows a modelling of moisture transport in a clay starting with the characteristic nano-scale distribution of water viscosity in the neighborhood of a smectite clay surface. The modelling is achieved by appeal to molecular dynamics (MD) simulations and a multiscale homogenization analysis (HA). The seepage behavior is well-simulated by a multi-level up-scaling of Stokes' equations. A transport theory of chemical species is discussed on a basis of the mixture theory, and the seepage and consolidation phenomena are treated on the same framework. A series of in-situ X-ray diffraction (XRD) experiments are used to verify the MD/HA simulations.

Nanokrystaliczne kompozyty na osnowie stopów aluminium lub fazy amorficznej (godz. 11:00)

Mechanizmy płynięcia plastycznego w temperaturach bliskich absolutnego zera (godz. 11:00)

Time-continuous evolution of microstructures in finite crystal plasticity

Modelowanie wzrostu spękań w materiałach

Symulacja spiekania metodą elementów dyskretnych

Wpływ implantacji jonowej na własności materiałów z pamięcią kształtu typu NiTi

Oszacowania właściwości efektywnych polikryształów o silnej anizotropii lokalnej

Kompozyty i materiały gradientowe typu ceramika-metal: zagadnienia technologiczne i kierunki badań

Metody stochastyczne w mechanice - seminarium poświęcone działalności naukowej Profesora Kazimierza Sobczyka

Modelowanie i eksperyment demonstracyjny zagadnień aktywnej wibroakustyki

Wykład składać się będzie z dwóch części. W części pierwszej przedstawiona zostanie koncepcja aktywnego kompozytu poro-sprężystego składającego się z warstwy materiału porowatego z osadzoną wewnątrz aktywną cienkościenną strukturą sprężystą, pozwalającą na polepszenie absorpcji akustycznej w niższych częstotliwościach. Przedstawione zostaną wyniki analizy teoretycznej, oparte na zaawansowanym modelowaniu materiałowym. Natomiast w części drugiej omówione zostanie modelowanie i weryfikacja eksperymentalna zagadnienia aktywnej redukcji hałasu nisko-częstotliwościowego wywołanego drganiami konstrukcji.

Energia powierzchniowa i efekty skali w mikrostrukturach martenzytycznych

Minimalizacja energii w zagadnieniach ewolucji mikrostruktur

Monitorowanie stanu technicznego konstrukcji i systemów inżynierskich modelowanych za pomocą grafów (rozprawa habilitacyjna)

Stability of relative equilibria of three vortices

Three point vortices on the unbounded plane have relative equilibria wherein the vortices either form an equilateral triangle or are collinear. While the stability analysis of the equilateral triangle configurations is straightforward, that of the collinear relative equilibria is considerably more involved. The only comprehensive analysis available in the literature, by Tavantzis & Ting [Phys. Fluids 31, 1392 (1988)], is not easy to follow nor is it very physically intuitive. The symmetry between the three vortices is lost in this analysis. I will provide a different analysis based on explicit formulae for the three eigenvalues determining the stability, including a new formula for the angular velocity of rotation of a collinear relative equilibrium. A graphical representation of the space of vortex circulations is introduced, and the resultants between various polynomials that enter the problem are used. This approach adds considerable transparency to the solution of the stability problem and provides more physical understanding. The main results are summarized in a diagram that gives both the stability or instability of the various collinear relative equilibria and their sense of rotation.

Zastosowanie termodynamicznej teorii sprężysto-lepkoplastyczności do opisu nanokrystalicznych metali. II. Sformułowanie teorii

Zastosowanie termodynamicznej teorii sprężysto-lepkoplastyczności do opisu nanokrystalicznych metali. I. Motywacja eksperymentalna i podstawy fizykalne

Wspomnienie o Profesorze Wojciechu K. Nowackim. Badania naukowe z ostatnich lat

1. Wspomnienie profesora Antoniego Sawczuka w 25 rocznicę śmierci. 2. Analiza materiałowych warstw kontaktowych.

Modelowanie multifizyczne i eksperyment demonstracyjny zagadnień aktywnej wibroakustyki

Wykład składać się będzie z dwóch prezentacji dotyczących zagadnień aktywnej wibroakustyki. Podczas pierwszej prezentacji, zatytułowanej: "AKTYWNE KOMPOZYTY POROELASTYCZNE O POLEPSZONEJ ABSORPCJI AKUSTYCZNEJ", przedstawiona zostanie koncepcja aktywnego kompozytu (modelowanego multifizycznie) składającego się z warstwy materiału porowatego z osadzoną wewnątrz aktywną cienkościenną strukturą sprężystą pozwalającą na polepszenie absorpcji akustycznej w niższych częstotliwościach. Druga prezentacja na temat: "MODELOWANIE MULTIFIZYCZNE I EKSPERYMENT DEMONSTRACYJNY AKTYWNEJ REDUKCJI WIBROAKUSTYCZNEJ" pokazuje wyniki modelowania multifizycznego zweryfikowane eksperymentalnie. Głównym celem jest prosta symulacja aktywnej redukcji hałasu nisko-częstotliwościowego wywołanego drganiami konstrukcji.

Anizotropowa ewolucja mikrouszkodzeń metali

Ocena stopnia uszkodzenia stali energetycznych wskutek pełzania iplastycznego płynięcia technikami niszczącymi i nieniszczącymi

Komputerowe modelowanie rozwoju mikrouszkodzeń i zniszczenia w stalowych elementach zbiorników kriogenicznych

O modelowaniu rozmytym w mechanice

Optymalne strategie obserwacji w identyfikacji układów z czasoprzestrzenną dynamiką

Atomistyczno-kontynualne modelowanie dyslokacji w kryształach

Bezmodelowa identyfikacja masy dodanej

Morfologiczna losowość mikrostruktur materiałowych;modele stochastyczne, mikronaprężenia, estymacja pękania.

Mechanochemiczne modele waskulogenezy i angiogenezy

Zastosowanie analogii mechaniczno-elektrycznych do wykrywania defektów w konstrukcjach

Remarks: Promotor prof. Jan Holnicki-Szulc

Hiperboliczne równania fonowego transportu ciepła

Remarks: Prezentacja wyników pracy habilitacyjnej

On kinetics of thermoelastic martensitic transformation

Galileuszowsko niezmiennicze sformułowanie mechaniki cieczy. Perspektywy zastosowań. (prezentacja wynikow habilitacji)

Problemy mechaniki deformacji niesprężystej materiałów (wykład poświęcony działalności naukowej profesora Bogdana Ranieckiego)

Analiza doświadczalna właściwości termomechanicznych stopów TiNi oraz poliuretanu z pamięcią kształtu (praca habilitacyjna)

Profesor Janusz Kasperkiewicz - prace badawcze w ostatnich latach

Thermodynamics and nonlinear dynamics of transformation induced plasticity in Ti-Ni alloys - experimental and theoretical study

In-situ infrared thermography of Ti-Ni alloy deformed in quasi-static and dynamic tests

Analiza procesów oddziaływania narzędzi maszyn roboczych na spoiste ośrodki gruntowe.

Remarks: Praca habilitacyjna

Analiza jakościowa w zgadnieniach stabilności i sterowania układów mechatronicznych

Remarks: Prezentacja monografii habilitacyjnej

Wybrane zagadnienia modelowania w biomechanice kości

Analiza wrażliwości dla zagadnień kontaktowych z tarciem

Connecting Length Scales in Granular Mechanics

Analiza przepływu materiałów sypkich w zbiornikach

Badania doświadczalne i modelowanie zachowania się polikrystalicznej miedzi M1E w procesie cyklicznego skręcania ze ściskaniem

Łagodzenie skutków podmuchu w turbinach wiatrowych

2. Propagacja szczeliny zmęczeniowej w bimateriale: model matematyczny i rozwiązanie numeryczne (11:30-13:00)

Remarks: 11:30-13:00

1. Laserowa akustyka pikosekundowa w zastosowaniu do badań nanowarstw (10:00-11:30)

Remarks: 10:00-11:30

Materiałowo konstrukcyjne problemy wysoko obciążalnych prądowo napowietrznych linii elektroenergetycznych i sieci trakcyjnych kolei dużych prędkości (11:30-13:00)

1. Regularizing Shear Bands Using Dynamic length scale (10:00-11:30)

The shear band formation in the finite element analysis using the regular continuum is mesh dependent. It usually has the size of one or two element lengths, and the convergence to a unique solution with successively finer meshes is generally not possible. To overcome this difficulty, a week nonlocal analysis is performed in this work by using gradient terms in the hardening parameters of the elastoplastic analysis in order to regularize the mesh dependency. Along with the gradient term use is made of a material length scale, which is obtained here using nano indentation experiments. Two models of variable length scales are proposed here in order to incorporate the high strain rates into account. The first model is a simple power low model that depends on dynamic hardness. The second model is physically based one where the Nye factor is assumed to be a function of temperature and strain rate. This approach is applied to cold rolled 1018 steel in this work with explicit time integration finite element scheme. The results show good regularization of the shear band initiation as well as the shear band width.

Remarks: 10:00-11:30

Symulacje komputerowe deformacji zlokalizowanych w betonie i gruntach

Rekonstrukcja obciążenia dynamicznego

Projektowanie gradientowego rozmieszczenia faz w kompozyciediament-węglik tytanowo krzemowy

Zjawiska nieliniowej elastyczności i piezoelektryczności wpółprzewodnikach

Termodynamika defektów punktowych w związkach międzymetalicznych

Nowe metody poprawy właściwości mechanicznych tytanu i jego stopów

Mikrospektroskopia ramanowska cienkich powłok węglowych formowanych metodami jonowymi i plazmowymi

Mechano-chemia; od naprężeń do kryształu Plancka-Kleinerta

Modelowanie stanu naprężenia i rozwoju uszkodzeń w warstwach izolacji termicznej

Identyfikacja defektów w konstrukcjach prętowych na podstawie Metody Dystorsji Wirtualnych w domenie częstości

Dynamiczne efekty oddziaływania ruchomych zaburzeńna właściwości układu hybrydowego

Kształtowanie nanostruktury w metalach i stopach metodą wyciskania hydrostatycznego

Experimental and numerical analysis of perforation process of metallic plates: Effect of constitutive relation

Wieloskalowe modelowanie jako element budowy wirtualnego materiału

W czasie prezentacji przedstawione zostaną podstawowe zasady modelowania wieloskalowego w zastosowaniu do odkształcania materiałów. Omówiona zostanie grupa opracowanych przez Autorów modeli hierarchicznych (upscaling) wykorzystujących połączenie metody elementów skończonych z metodą automatów komórkowych (metoda CAFE). Pokazana zostanie metoda generowania krystalicznej struktury materiału w oparciu o zdjęcia mikroskopowe. Taka struktura stanowi bazę do modelowania wieloskalowego. Następnie przedstawione zostaną wybrane przykłady zastosowania metody CAFE do symulacji rekrystalizacji dynamicznej oraz do symulacji odkształcania materiałów z uwzględnieniem wpływu mikropasm i pasm ścinania. Druga część prezentacji poświęcona będzie przedstawieniu wyników ostatnich prac nad tworzeniem modelu hybrydowego (concurrent computing). Pokazana zostanie procedura tworzenia obrazu materiału z siatką elementów skończonych uwzględniająca ziarnistą budowę tego materiału. Poszczególnym ziarnom przypisywane są różne właściwości (kąt orientacji). Przedstawiona zostanie weryfikacja modelu dla przypadku ściskania w próbie kanalikowej monokryształu, bikryształu oraz złącza potrójnego trzech ziaren. Końcowe wyniki obejmować będą wstępną symulację odkształcenia polikryształu o kilkudziesięciu ziarnach o różnych orientacjach. Prezentację zakończy propozycja dalszych badań zmierzających w kierunku budowy wirtualnego materiału

Wyniki badań termomechanicznych polimerów z pamięcią kształtu na przykładzie poliuretanu

Modelowanie mikromechaniczne intermetali TiAl w zakresie dużych deformacji

Modele zużycia powierzchni kontaktowych: analiza stanów ustalonych

Osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu impulsem laserowym

Recent advances in constitutive relation, application to perpendicular impact of hemispherical projectiles

Modelowanie ewolucji mikrostruktury metali i wzmocnienia przy dużych deformacjach plastycznych

The friction contact of coated bodies in rolling/sliding contact

Remarks: 10:45-11:30

Modelling of damage fracture of thermal elastoviscoplastic materials with softening. Cutting process of metals

Remarks: 10:00-10:45

Złożoność obliczeniowa wybranych problemów biomechaniki

Zastosowanie Metody Dystorsji Wirtualnych w projektowaniu ustrojów adaptacyjnych poddawanych obciążeniom udarowym

Mikrostruktura a energia powierzchniowa granic rozdziału faz w SMA

Wieloskalowe modelowanie zjawisk zachodzących w metalach i stopach w procesach obróbki cieplno-plastycznej z wykorzystaniem metod symulacji fizycznej

Krystalograficzne aspekty formowania się pasm ścinania w metalach o sieci regularnej

Mechaniczne i strukturalne aspekty plastycznego kształtowania metodą KOBO

Modelowanie aktywnych paneli sprężysto-poroelastycznych

Termodynamika jednokierunkowego efektu pamięci kształtu.Cz. 1. Metastabilna równowaga faz w materiałach z pamięcią kształtu

Wpływ zmiennej drogi odkształcania na zachowanie się wybranych materiałów metalicznych

W pracy przedstawiono krótkie omówienie wpływu wymuszonej drogi odkształcenia na parametry siłowo energetyczne i strukturę oraz odkształcalność stopów miedzi. Określono najważniejsze parametry wpływające na reakcję materiału podczas odkształcania z oscylacyjnie zmienną drogą odkształcenia. Przedstawione w pracy wyniki badań własnych obejmują określenie wpływu sekwencyjnego oraz jednoczesnego, cyklicznego skręcanie z rozciąganiem, na parametry siłowe, energetyczne, zastępcze naprężenie uplastyczniające, odkształcenie graniczne i strukturę wybranych materiałów metalicznych. Wyniki uzyskane w procesach złożonego odkształcania porównane zostały między sobą oraz z wynikami otrzymanymi w monotonicznych próbach skręcania i rozciągania.

Metody ultradźwiękowe identyfikacji własności sprężystych ośrodków gradientowych

W pracy przedstawiono zastosowanie fal akustycznych do wyznaczania rozkładów własności sprężystych w materiałach gradientowych (FGM). Rozwiązano zagadnienie proste polegające na obliczeniu charakterystyk dyspersyjnych powierzchniowych fal sprężystych w ośrodkach gradientowych. Wykonano pomiary krzywych dyspersji powierzchniowych fal akustycznych w badanym ośrodku niejednorodnym. Rozwiązano zagadnienie odwrotne minimalizując wprowadzoną funkcję błędu (celu), w rezultacie czego odtworzono nieznany profil zmian własności sprężystych w warstwie wierzchniej badanego materiału. Zagadnienie proste oraz odwrotne rozwiązano w przypadku niejednorodnej próbki stalowej poddanej procesowi hartowania laserowego. W części doświadczalnej zmierzono krzywe dyspersji powierzchniowej fali sprężystej typu SH (shear-horizontal).

Chaos deterministyczny dla układu równań cząstkowych

Anizotropowa Turbulencja w Nadciekłym Helu i Dynamika Wirów Dyskretnych. (praca habilitacyjna)

Przedstawię model silnie anizotropowej turbulencji kwantowej (turbulencji wirów dyskretnych) w nadciekłym helu. Podstawową ideą jest rozbicie modelowania na dwie skale: 1) mikroskopową, w której dynamika linii wirowych analizowana jest w oparciu o przybliżenie lokalnej samoidukcji i prowadzi do lokalnego równania na gęstość wirów, uwzględniającego anizotropię i dryf kłębowiska wirowego. Omówię tu nowe (analityczne) rozwiązania opisujące dynamikę wirów dyskretnych w przybliżeniu lokalnej samoindukcji, oraz 2) makroskopową, w której dynamika składowej nadciekłej i normalnej (lepkiej) opisywana jest odpowiednio równaniami Eulera i Naviera-Stokesa, sprzężonymi polem siły o wartości proporcjonalnej do gęstości wirów i wzajemnej prędkości składowych.

Zagadnienie zbieżności algorytmów genetycznych

Przedstawiona zostanie idea badania algorytmów genetycznych metodami teorii układów dynamicznych. Wykorzystana do tego będzie entropia i wymiar fraktalny. Pokazana zostanie idea zastąpienia algorytmu innym algorytmem (operatorem) który juz w pierwszym kroku generuje rozkład graniczny. Jest to teoretyczną podstawą do badania algorytmów przy pomocy entropii i wymiaru fraktalnego.

Modelowanie i analiza pozyskiwania oraz konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku (praca habilitacyjna)

Propagacja i oddziaływanie hiperbolicznych fal płaskich w nieliniowych ośrodkach sprężystych (praca habilitacyjna)

Modelowanie i symulacja zagadnień mechaniki skał metodą elementów dyskretnych oraz zintegrowaną metodą elementów dyskretnych i skończonych (część 2)

Ocena procesów destrukcyjnych w konstrukcjach betonowych.

Modelowanie i symulacja zagadnień mechaniki skał metodą elementów dyskretnych oraz zintegrowaną metodą elementów dyskretnych i skończonych

Własności termomechaniczne stopu TiNi z pamięcią kształtu

Plan wystąpienia 1. Wprowadzenie: charakterystyka stopów z pamięcią kształtu, przykłady zastosowań, problemy niejednorodności

Modeling the shape memory alloys thermomechanical behavior for its use as actuators or dampers in structures

Metody opisu zjawiska dyssypacji w mechanice (praca habilitacyjna)

Kompozyty ceramiczno metalowe: wytwarzanie, właściwości i zastosowanie

Nowoczesne metody badań materiałowych w przemysle samochodowym

Modelowanie przepływu ciepła przez powierzchnię kontaktu ciał chropowatych

Modelowanie mikromechaniczne zachowania się materiałow polikrystalicznych dla nieproporcjalnych ścieżek deformacji plastycznej

Technologia mikrosystemów heterogenicznych dla zastosowań mikrofluidycznych

Organization of The Institute of Electron Technology (ITE) in Warsaw, with special focus on the Division of Silicon Microsystem and Nanostructure Technology will be presented. Our laboratory (clean room of area ~1000 sq.m.), which is located in Piaseczno, enables CMOS integrated circuits fabrication, as well as non-standard MEMS/MOEMS devices, research and development. Based on the selected sensors, actuators and microfluidic devices, which were developed (or still are under development) in the ITE, design examples, possibilities and limits of technology, applied physical/chemical principles, computer modeling, assembling and application issues will be discussed.

Mezoskalowe modelowanie mikro i nano przepływów

Z braku odpowiednich modeli teoretyczno-numerycznych, rozwój nano- i bio-technologi jest obecnie dokonywany głównie empirycznie. Opis molekularny jest opisem zbyt złożonym i w związku z tym aplikacyjnie nie możliwym do zastosowania. Opis ciągły płynu nie bierze pod uwagę istotnych zjawisk takich jak ruchy Browna, poślizg prędkości, skok temperatury na ściance. Stąd też, wymagana jest nowa metoda podejścia do modelowania powyższych zagadnień - metoda mezoskopowa. Jako metoda mezoskopowa przedstawiona zostanie metoda czastek dysypatywnych. jedna czastka reprezentuje klaster atomów, ktory ma pewne własności podobne do ciągłego elementu płynu, a tez częściowo zachowuje molekularną charakterystykę.Takie podejście pozwala na efektywne modelowanie mezoskalowych zjawisk przepływowych. Główną charakterystyką przepływów mezoskopowych jest rozmiar rozważanego zjawiska, który wynika z faktu, że przepływ płynu jest ograniczony ściankami. W mikro- i nano-skali efekty powierzchniowe są bardziej istotne niż efekty objętościowe. Stąd też, oddziaływanie płynu ze ściankami ma zasadniczy wpływ na całą charakterystykę przepływu. Prezentowana metoda cząstek dysypatywnych pozwala na bardzo precyzyjne określenie mezoskalowego oddziaływania ciała stałego i płynów, co pozwala np. na modelowanie oddziaływania łańcuchów DNA z þłynem, lub wyznaczenie poślizgu.Zagadnienia te są bardzo istotne przy budowaniu zintegrowanego systemu do analizy bio-chemicznej - "lab-on-chip" i modele symulacyjne stanowią dużą pomoc, ze wyględu na fakt, że eksperymenty są kosztowne i niektóre własności są trudno mierzalne w mikro- i nano-skali.

Modelowanie przewodnictwa Cciepła w laminatach z gradacją własności efektywnych

Transformacje dominującego systemu poślizgu w kryształach RSC

W niniejszym referacie skoncentrowano uwagę na zjawisku transformacji dominującego systemu poślizgu, jego wpływu na mechanizm odkształcenia plastycznego i kinetykę umocnienia monokryształów RSC, oraz na stowarzyszony z nim problem dotyczący kryterium mechanicznego bliźniakowania oraz dziedziczenia dyslokacji przez bliźniaki odkształcenia. Doświadczalno-teoretyczną analizę tych problemów przeprowadzono w oparciu o wyniki badań uzyskane na modelowych monokryształach miedzi oraz stopów układu miedź-aluminium. W analizie zastosowano koncepcję macierzy gradientów deformacji i macierzy korespondencji, nowoczesne metody doświadczalne bazujące na dyfrakcji rentgenowskiej i elektronowej oraz metody pomiaru własności mechanicznych. Do najważniejszych wyników badań przedstawianych w niniejszej pracy należą: (i) identyfikacja zjawiska transformacji dominującego systemu poślizgu oraz wykazanie jego bezpośredniego wpływu na zmianę kinetyki umocnienia rozciąganych kryształów RSC; (ii) wykazanie równoważności pomiędzy mechanizmem związanym z początkiem IV-tego stadium deformacji kryształów RSC a zmianą dominującego systemu poślizgu; (iii) określenie kryterium mechanicznego bliźniakowania w monokryształach RSC oraz weryfikacja stosowalności prawa krytycznego rozłożonego naprężenia ścinającego; (iv) obserwacja dyslokacji sześciennych dziedziczonych przez bliźniaki odkształcenia w kryształach RSC oraz weryfikacja stosowalności metody macierzy korespondencji. W końcu zostaną przedstawione również wstępne wyniki badań doświadczalnych nad wzajemnymi oddziaływaniami bliźniaków odkształcenia zachodzącymi podczas niskotemperaturowej deformacji plastycznej kryształów RSC o niskiej energii błędu ułożenia.

Porównanie wybranych naczyniowych modeli transportu ciepła w tkance ukrwionej

Ocena warunków pomiaru parametrów spirometrycznych

Spirometria służy diagnostyce mechaniki układu oddechowego na podstawie oceny prędkości przepływu i objętości powietrza wydychanego. O dokładności pomiaru decydują wszystkie bloki zastosowanego przyrządu pomiarowego. W dobie nowoczesnych rozwiązań technicznych pojawiła się potrzeba szczegółowej rewizji wszystkich czynników wpływających na dokładność pomiaru. Toteż autorka wskazuje trzy najistotniejsze czynniki, którymi są: fizyczne warunki otoczenia, opór przepływowy przetwornika spirometrycznego oraz parametry przetwarzania sygnału. Przyjęty stały współczynnik przeliczeniowy normalizujący warunki fizyczne pomiarów spirometrycznych odnosi się raczej do używanych od bardzo dawna spirometrycznych przetworników objętościowych. Stosowane obecnie nowoczesne przetworniki przepływowe wymagają uwzględnienia współczynników o diametralnie innych wartościach. W przeszłości największy wpływ na dokładność pomiaru miał przetwornik spirometryczny. Współczesne rozwiązania konstrukcyjne pozwoliły na znaczną poprawę jego dokładności. Istotnego znaczenia nabiera obecnie opór przepływowy przetwornika. Powszechne stosowanie mikroprocesorów będących dzisiaj bazą wszystkich urządzeń pomiarowych skłoniło autorkę do podjęcia analizy wpływu sposobu przetwarzania sygnału spirometrycznego na ostateczną dokładność pomiaru. Przeprowadzone badania i analizy wskazują, że dobór przetwornika AC o odpowiedniej rozdzielczości i zapewnienie właściwej częstotliwości próbkowania pozwala na zminimalizowanie błędu przetwarzania. Prezentowane w referacie zagadnienia zostały przedstawione w rozprawie pt. "Metrologiczne aspekty badania czynności mechanicznej układu oddechowego" oraz opublikowane w czasopismach o zasięgu międzynarodowym.

Zastosowanie termografii impulsowej do wykrywania wad w warstwie powierzchniowej metali i ich stopów

Energetyczny model pękania segmentacyjnego cienkich warstw

W ramach pracy sformułowano energetyczny model pękania segmentacyjnego cienkiej warstwy na rozciąganym podłożu. Główne założenie stanowi idea topologicznej transformacji pomiędzy układem niepopękanym a całkowicie zniszczonym, bez rozpatrywania historii deformacji. Transformacja ta zachodzi gdy spełniony zostanie energetyczny warunek mówiący, że energia w stanie całkowitego zniszczenia nie może być większa od energii układu w stanie niepopękanym. Model pozwala na jednoznaczne określenie gęstości spękań w cienkiej warstwie. Został zastosowany do obliczenia energii pękania warstw tlenku krzemu na podłożach wykonanych z polimerów.

Doświadczalna weryfikacja podstawowych założeń teoretycznychmakroskopowej teorii pseudosprężystości

W 1998 Raniecki i Lexcellent zaproponowali model konstytutywny pseudosprężystego zachowania stopów z pamięcią kształtu - model RL. W modelu tym przyjęto szereg założeń teoretycznych zapewniających jego stosunkowo prostą formę matematyczną i efektywność numeryczną, przy spodziewanej dobrej dokładności przewidywań modelowych. Starannie zaplanowany i wykonany program prób poświęcony badaniu zachowania stopu NiTi poddawanego proporcjonalnym w przestrzeni składowych tensora naprężenia ścieżkom obciążenia, dostarczył danych umożliwiających doświadczalną weryfikację podstawowych założeń teoretycznych modelu RL. Surowe dane doświadczalne pochodzące z testów izotermicznych przeprowadzonych w temperaturach 310 , 315, 322.5 K zostały poddane odpowiedniemu opracowaniu, by możliwa była weryfikacja dopuszczalności założenia o izotropii sprężystej materiału, dopuszczalności założenia o matematycznej reprezentacji powierzchni płynięcia pseudosprężystego jako izotropowej funkcji tensora naprężenia, celowości wprowadzenia tzw. funkcji kształtu, dopuszczalności założenia o izotropii niesprężystej, tj. reprezentacji makroskopowego tensora odkształceń fazowych za pomocą tensorowej funkcji izotropowej względem tensora naprężenia. Podana zostanie także zalecana procedura identyfikacji stałych i funkcji materiałowych modelu RL włącznie z zaleceniami odnoście minimalnej i optymalnej liczby i rodzaju wymaganych prób doświadczalnych. Podany zostanie kompletny zestaw wartości stałych i funkcji materiałowych modelu RL dla badanego stopu NiTi.

Metody akumulacji danych w analizie obrazów cyfrowych

Zasada akumulacji danych jest punktem wyjścia dla konstrukcji szeregu metod analizy obrazów. Szeroko znanym przykładem metody akumulacyjnej jest transformata Hougha i metody pokrewne. Podstawowym elementem wspólnym tych metod jest tworzenie histogramu będącego empiryczną gęstością prawdopodobieństwa badanego zjawiska. Zostanie przedstawionych kilka wybranych akumulacyjnych metod analizy obrazów zawierających nowe elementy, w tym całkowicie nowa metoda detekcji linii (obiektów wydłużonych).
W metodach tych wykorzystano pojęcie słabego rozmycia. Opiera się ono na znanym zjawisku przechodzenia mody histogramu w wartość średnią danych przy określonych zmianach funkcji przynależności używanej w rozmyciu. Zjawisko to rozszerzono na przypadek histogramu okresowego. Słabe rozmycie jest jedną z możliwych metod osiągnięcia znacznej odporności metod akumulacyjnych na dane odstające (outliers).
Jako przykłady zostaną użyte obrazy biomedyczne, które stawiają duże wymagania metodom ich analizy.

Wpływ kierunku wstępnego odkształcenia na proces magazynowania energii w polikryształach

Miarą przemiany energii w dowolnej chwili procesu deformacji jest stosunek przyrostu energii zmagazynowanej do przyrostu pracy odkształcenia plastycznego. Wielkość ta, zwaną zdolnością magazynowania energii, jest makroskopową manifestacją zjawisk zachodzących na poziomie mikrostruktury. W niniejszej pracy, wyznaczono zależności zdolności magazynowania energii w funkcji odkształcenia plastycznego dla próbek różniących się kierunkiem wstępnego rozciągania. Następnie, przy użyciu mikroskopu optycznego i transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) przeprowadzono obserwacje mikrostruktury. Wyniki te wykorzystano do identyfikacji mechanizmów odpowiedzialnych za proces magazynowania energii w początkowym etapie deformacji monotonicznej i po zmianie kierunku rozciągania. Przedstawione wyniki stanowią istotną część rozprawy doktorskiej.

Ocena zmian strukturalnych i naprężeń własnych w warstwach hartowanych laserowo

W pracy przedstawiono próbę przewidywania niektórych parametrów to jest morfologii i naprężeń własnych warstwy wierzchniej ukonstytuowanej w wyniku działania wiązki laserowej, korzystając z uproszczonego modelu tego procesu. Rozważania ograniczono do przypadku hartowania laserowego. W modelu wykorzystano rozwiązanie analityczne problemu rozkładu temperatury powstającej w wyniku działania ruchomego źródła ciepła o Gaussowskim rozkładzie mocy w stanie ustalonym. Przyjęto, że generowane w procesie naprężenia własne wynikają ze zmiany objętości własnej materiału w strefie zmienionej w wyniku obróbki laserowej.

Theoretical challenges in tissue engineering

Tissue Engineering is a cross-disciplinary field combining concepts and logistics from both Life and Physico-Chemical Sciences. The long term goal of this field is to replace and regenerate defective tissues or organs by hybrid implants composed by stem cells seeded within a scaffold. In case of bone tissue, the success in the design of an optimal implant with large size is largely reinforced by the set-up of model based experiments. Some examples of mathematical model of fluid flow through porous media and associated transport phenomena, designed for such a purpose, will be presented.

Zjawisko magnetoplastyczności w materiałach niemagnetycznych

Zjawisko magnetoplastyczności w kryształach niemagnetycznych (ZMP) zostało odkryte w roku 1985 w Instytucie Krystalografii AN ZSRR w Moskwie. Zachodzi ono na poziomie kwantowym, a przejawia się na poziomie makroskopowym. Mówiąc w wielkim skrócie, ZMP polega na odrywaniu się dyslokacji od centrów paramagnetycznych pod wpływem (stałego) pola magnetycznego. Dyslokacje, a w szczególności ich gęstość, konfiguracja, ich skupiska i ich mobilność w decydujący sposób określają właściwości ciał stałych, w tym ich właściwości sprężyste i plastyczne, czyli podatność na chwilowe i trwałe odkształcenia. Odkrycie tego zjawiska było dla badaczy czymś niezwykłym i nieoczekiwanym, gdyż zaprzeczało powszechnym poglądom na temat wpływu pola magnetycznego na właściwości materiałów niemagnetycznych. Efekt sprawdzano wielokrotnie w różnych materiałach. W kolejnych latach istnienie zjawiska zostało potwierdzone przez kilka niezależnych laboratoriów i opisano je w sporej liczliczbie (powyżej stu) prac naukowych. Prace doświadczalne przeprowadzano w próbkach związków alkalicznych, w metalach niemagnetycznych i w półprzewodnikach. Analiza otrzymanych danych pozwalała na sformułowanie tezy, że pod wpływem działającego przez jakiś czas pola magnetycznego następuje unieważnienie zakazu przejść elektronowych w układzie dyslokacja - domieszka, a to z kolei powoduje istotne zmniejszenie energii ich oddziaływania i odczepienie dyslokacji od defektu punktowego. Dalszy ruch dyslokacji, aż do następnego punktu zaczepienia, odbywa się polu dalekozasięgowych naprężeń, pochodzących od innych defektów liniowych. I cały proces rozpoczyna się od początku, aż do chwili wyłączenia pola magnetycznego lub do momentu, gdy dyslokacja znajdzie się w polu niskich naprężeń. W większości eksperymentów obserwowano ruch dyslokacji bez przykładania dodatkowych zewnętrznych obciążeń mechanicznych. Mamy tu więc do czynienia z procesem samoorganizacji dyslokacji, przebiegającym w kierunku ich bardziej równomiernego rozkładu. Okazało się dodatkowo, że zjawisko magnetoplastyczności przejawia się również na poziomie makroskopowym, wpływając w istotny sposób na plastyczność kryształów. Stwierdzono na przykład, że poddanie kryształu, umieszczonego w polu magnetycznym, obciążeniu o stałej prędkości deformacji powoduje kilkakrotne zmniejszenie granicy płynięcia, tym większe, im mniejsza jest prędkość deformacji i im większa jest indukcja magnetyczna B. Podczas wykładu zademonstrowany zostamie program komputerowy symulujący omawiane zjawisko i przedstawione zostaną wyniki przeprowadzonych obliczeń.

Obrazowanie wnętrza ciała: stan obecny i wyzwania

Modelowanie zniszczenia betonu w warunkach ataku siarczanowego

Proponowane seminarium dotyczy modelowania zjawiska uszkodzenia betonu wywołanego działaniem chemicznie agresywnego środowiska ze szczególnym uwzględnieniem zewnętrznego ataku siarczanowego. Atak siarczanowy (korozja siarczanowa) jest sekwencją sprzężonych procesów fizyko-chemicznych prowadzących do odkształceń elementów konstrukcji betonowych "in situ", a w konsekwencji do ich uszkodzenia czy nawet zniszczenia. Model ma charakter interdyscyplinarny, gdyż wykorzystuje metody i równania chemii fizycznej, transportu masy, mikromechaniki defektów, mechaniki pękania, termodynamiki reakcji chemicznych, teorii sprężystości, fizyki statystycznej (teorii perkolacji). Celem symulacji jest określenie czasu życia konstrukcji betonowej w warunkach ataku siarczanowego, czyli wyznaczenie wielkości makroskopowej ekspansji betonu w zależności od czasu ekspozycji konstrukcji na działanie siarczanów. W celu weryfikacji modelu teoretycznego zostanie przeprowadzona numeryczna symulacja testu badającego odporność betonu na atak siarczanowy wg normy ASTM C1012 (Ouyang 1988).

Modelowanie materiałów i analiza procesów zachodzących w temperaturach bliskich absolutnego zera

Termodynamiczna teoria sprężysto-lepkoplastyczności uwzględniająca efekty mikropasm ścinania i wywołanej anizotropii

Mikromechanika warstw kontaktowych

Symulacje konwekcji atmosferycznej w warstwie granicznej Ziemi i Marsa

Analiza wrażliwości parametrycznej w obliczeniach numerycznych zagadnień sprężysto-plastycznych

Analogia między agentami i agentami programowymi. Jak ten problem jest rozwiązywany w informatyce?

Wpływ mikrostruktury na własności makroskopowe kompozytów sprężystych, piezoelektrycznych i termosprężystych

Propagacja i oddziaływanie hiperbolicznych fal płaskich w nieliniowym ośrodku sprężystym

Stochastyczny model wczesnej odpowiedzi immunologicznej

Wykładniki Lapunowa dynamicznych układów chaotycznych: synchronizacyjna metoda ich estymacji

New partial differential equations for joint probability distributions of nonlinear systems under general stochastic excitation

Wybrane aspekty modelowania ruchu ziaren w przepływach materiałów granulowanych

Modelowanie polikrystalicznych kompozytów ceramicznych zawierających międzyziarnowe warstwy metaliczne w stanach jednoosiowego rozciągania

Podstawy teoretyczne metodologii badania elementów budowlanych w komorach klimatycznych

Piezoelektryczne rezonatory cylindryczne jako sensory parametrów reologicznych cieczy lepkosprężystych

Mechanics of growing solids: theory and applications

Micromechanical model of elasto-plastic damaged medium and applications to strain localization and fracture problems

Problemy elastodynamiki i termosprężystości - badania Prof. J. Ignaczaka w IPPT PAN w ostatnim półwieczu

Problemy prognozowania zjawisk losowych i optymalna predykcja w dynamice stochastycznej

Prawa skalowania i fraktalne modele ewolucji defektów materiałów

Podstawy matematyczne MES dla anizotropowego materiału hipersprężystego

Efektywne współczynniki transportu zawiesin

Analiza parametrów sprężystych cienkich warstw gradientowych metodami ultradźwiękowymi

Second-gradient poromechanics

3-wymiarowy model termodynamiczny stopów z pamięcią kształtu: zakres pseudo-sprężysty przy skończonych odkształceniach

Procesy termiczne przy lokalnym tarciowym lub laserowym nagrzewaniu: analogie modelowania

Zastosowanie metody elementów skończonych do modelowania nieliniowej sprężystości krzyształów

Dynamika prostych i hierarchicznych układów ewoluujących

Modelowanie krzepnięcia dendrytycznego

Umocnienie materiału a proces magazynowania energii podczas deformacji plastycznej

Mathematical modelling of time dependent fracture in viscoelastic, ductile and damaging materials

Modelowanie numeryczne krzepnięcia stopów metali z uwzględnieniem ruchów cieczy

Badanie propagacji adiabatycznych pasm ścinania i zlokalizowanego zniszczenia w ciałach niesprężystych

Plasticity of New Steels Used in Automotive Industries

Statistical characterization of the geometrical structure of porous materials

Magnetyczny efekt pamięci kształtu w stopach na osnowie faz Heuslera

Ultradzwiękowa identyfikacja parametrów nasyconych materiałów porowatych

Doświadczenia z nową technologią kształtowania plastycznego metali - inspiracja do rozważań teoretycznych

Wpływ stopowania laserowego na stan warstwy wierzchniej

Problemy modelowania i kontaktu rzeczywistych powierzchni chropowatych

Optymalne projektowanie z uwzględnieniem uszkodzeń

Sposoby porównywania i wyboru modeli z różną liczbą parametrów w metodach identyfikacji(na przykładzie analizy modelu płynięcia plastycznego z mikrouszkodzeniami)

Dufuzja wywołana polem naprężeń w warstwach Si/Ge.Nieliniowa teoria pola i MES.

Pomiary temperatury podczas odkształcania stopów z pamięcią kształtu jako metoda badania przemian fazowych.

Modelowanie upłynnienia gruntów podczas trzęsienia ziemi w Turcji, 1999.

Wpływ wodoru na właściwości mechaniczne stali austenityczno-ferrytycznej.

Kinetyka nukleacji w warunkach relaksacji deformacji makroczasteczek polimeru

Badania kalorymetryczne faz międzymetalicznych układów Al-Ni i Al-Ti.

Optymalizacja procesów tłoczenia blach oparta na symulacji numerycznej i ścisłych metodach analizy wrażliwości.

Minimalizacja energii przyrostowej w zagadnieniach lokalizacji odkształceń plastycznych.

Numeryczna symulacja pękania warstwy izolacji termicznej podczas próby trójpunktowego zginania.

Niezmienniki tensora sprężystości dla materiałów ortotropowych.

O przydatności testu prostego ścinania do identyfikacji własności materiałowych materiałów poddanych dużym deformacjom.

Wybrane zagadnienia termiczne w biomechanice ortopedycznej.

Wpływ mikrostruktury na własności kompozytów piezoelektrycznych.

Optymalizacja kompozytów uzbrojonych dwiema rodzinami włókien.

Algorytm wyznaczania makroskopowych modułów stycznych w mikromechanice materiałów sprężysto-plastycznych przy dużych deformacjach.

Fatigue life assessment for sound welded structures.

O modelowaniu matematycznym materiałów z pamięcią kształtu z uwzględnieniem efektów termicznych

Motion analysis in biomechanics

Motion is an ubiquitous feature in biology, and the measurement, imaging, analysis and mathematical modeling of motion is a primary task in biomechanics. Given the multiphase composition of biological structures, fluid and solid motions including the interactions resulting thereof are likewise of importance.
Relevant biological motion phenomena extend over several orders of magnitude, viz., from whole-body motions down to motions occurring on a molecular scale. Experimental and theoretical procedures depend thereby essentially on the size and mechanical properties of the involved bodies as well as on the time duration of interest. Selected topics covered in the talk include

• Whole body motions: Orthopaedic motion analysis (masticatory system), rehabilitation (training of paraplegic patients), trauma research (whiplash analysis and prevention), high-speed image acquisition for motion analysis.
• Organ dynamics: Systolic and diastolic dynamics of the heart (cardiodynamics), contraction waves in the stomach, blunt kidney trauma, magnetic resonance imaging (MRI) as a method to register organ motions and deformations.
• Fluid motions, fluid-solid interactions: Controlled mandatory ventilation by high-frequency oscillation, arterial flow dynamics and transport (only shortly covered, see lecture on Intra- and Extravascular Flow Dynamics and Transport Processes).
• Cellular motility: Actin filament dynamics.

Wystąpienie prof. S. Cowina

Dynamika stochastyczna układów fizycznych/technicznych - w 100 lat od pierwszych idei: W. Gibbs (1903), A.Einstein - M.Smoluchowski (1905/06), P.Langevin (1908)

Modelowanie funkcjonalnej adaptacji kosci

The Shock Initiation and High Strain Rate Mechanical Characterization of Explosive Powders and Compositions

A number of techniques have been developed and applied in our laboratory for the investigation of the properties of energetic materials. One method we have used in a wide range of such studies has been high-speed photography. The advantage is that it is possible to see directly what is going on in, for example, hot spot initiation of energetic materials. In recent years, it has increasingly been desired to model the impact response of structures containing energetic materials using numerical methods. If meaningful numerical results are going to be obtained for, say, munitions or rockets, it is of vital importance that constitutive relations be constructed which describe the mechanical response of unreacted energetic materials over the temperature and strain rate ranges of interest. With this in mind, we have developed a range of techniques for obtaining the mechanical properties of energetic materials over a wide range of strain rates and temperatures. One problem with conventional mechanical testing methods is that they only allow the measurement of the global response of a specimen. Energetic materials usually consist of a viscoelastic binder heavily loaded with explosive crystals. In order to develop realistic and physically-based constitutive models for such unusual composites, it is vital to determine how these materials deform on the mesoscale. To this end, we have developed a range of optical and microscopy techniques. These have been used for both quasistatic and dynamic studies.

Asymptotic Crack-Tip Fields in Couple-StressStrain-Gradient Plasticity: Steady-State Propagation

Nieliniowe równania akustyki, praktyczne zastosowania w technologiach ultradźwięwiekowych

Zjawiska magnetosprężyste i ich wykorzystanie w nieniszczących badaniach materiałów (rozprawa habilitacyjna)

Zastosowania metody homogenizacji do weryfikacji koncepcjifenomenologicznych

A perturbative approach to material instabilities in anisotropic elastic and plastic solids

Theoretical and numerical aspects of thermomechanical interfaces in solids

Termomechanika materiałów suszonych

Wpływ wzajemnej orientacji faz na bilans energii podczas deformacji plastycznej stali austenityczno-ferrytycznej

Duże deformacje materiałów porosprężystych - modelowanie termodynamiczne i zastosowania

Działalność naukowa doktora Jacka Bauera, jego rozprawa habilitacyjna

Niestabilność odkształcenia plastycznego Portevin-Le Chatelier

Zastosowanie ułamków łańcuchowych i aproksymant Pade do wyznaczania granic na efektywne współczynniki transportu materiałów niejednorodnych

Optymalne kształty powierzchni w procesie zużycia kontaktowego

Kinetyka niestacjonarnej krystalizacji polimerów

Numeryczne modelowanie zjawisk higro-termo-chemo-mechanicznych i wywołanych nimi zniszczeń w betonie w wysokiej temperaturze

Glass and glass-ceramic matrix composites: academic curiosity or useful materials?

One of the advantages of glass is the unique ability to vary continuously and gradually its structure and properties through composition. This makes glass an attractive "partner" for the fabrication of composite materials and structures with novel, optimised properties. Glass matrix composites with excellent mechanical properties and high structural integrity are obtained by reinforcing the low-modulus, low-strength glass (or glass-ceramic) matrix with a high-modulus, high-strength and/or high-ductility second constituent in the form of whiskers, platelets, particulates or fibres.
In this presentation, international research on the fabrication, properties and applications of glass and glass-ceramic matrix composites will be reviewed, focussing on both dispersion- and fibre-reinforced systems. The goal is to generate a broader interest in these composites and understanding of their mechanical behaviour, by covering the great variety of glass and glass-ceramic composites developed so far, and highlighting their outstanding thermomechanical properties and high technological potential. The several remaining challenges for the future development of these composites will be discussed, which currently limit the wider commercial exploitation of these materials. These are mainly related to the lack of reliable and cost-effective processing techniques and complete understanding of their high-temperature mechanical properties.
Novel developments in the area of "optomechanical composites" and piezoelectric/glass composites will be presented, focussing on the areas where further R&D work is required in order to transform these "model" systems into useful products with commercial interest.

Optymalizacja w projektowaniu nowych konstrukcji i materiałów

Metoda elementów dyskretnych w modelowaniu materiałów sypkich i skał

Wsporniki Michella

Przedstawione beda wsporniki Michella dotyczace przypadku gdy naprezenia graniczne na rozciaganie sa inne niz na sciskanie. Beda podane analityczne konstrukcje geometrii siatek linii pretow wewnatrz wspornikow optymalnych oraz formuly na ciezary wspornikow.

Strategia optymalizacji dla analizy odwrotnej w zastosowaniu do identyfikacji modeli własności materiałów i warunków brzegowych

Analiza odwrotna jest powszechnie stosowana do identyfikacji różnych modeli własności materiałów i warunków brzegowych w inżynierii materiałowej. W literaturze naukowej znaleźć można liczne przykłady zastosowań tej metody do identyfikacji modeli reologicznych, tarcia i wymiany ciepła. Długie czasy obliczeń, wynikające z trudności ze zbieżnością procedur optymalizacyjnych, są podstawowym czynnikiem ograniczającym szerokie zastosowanie oprogramowania z analizy odwrotnej. Dlatego w prezentacji przedstawione będą wyniki badań mających na celu testowanie przydatności różnych metod optymalizacji do analizy odwrotnej i zaproponowanie najlepszej strategii optymalizacji. Badaniami objęto różne metody optymalizacji gradientowej i bezgradientowej oraz algorytmy ewolucyjne. Przeprowadzone testy numeryczne pozwoliły wyciągnąć wnioski odnośnie skuteczności poszczególnych metod w poszukiwaniu minimum funkcji celu i omijaniu minimów lokalnych. Druga część prezentacji dotyczy wybranych przykładów nowych zastosowań analizy odwrotnej, między innymi:

• Identyfikacji parametrów modeli przemian fazowych,
• Równoczesnej identyfikacji parametrów modeli reologicznego i tarcia,
• Wyznaczania wartości sił wytwarzanych przez dociskacz w procesie ciągnienia dających minimum nawrotu sprężystego

Tekstura krystalograficzna a lokalizacja odkształceń w blachach

Prace Instytutu Obróbki Plastycznej na tle kierunków rozwoju obróbki plastycznej

Omówione zostaną kierunki rozwoju pozahutniczej obróbki plastycznej na świecie. Następnie omówione zostaną kierunki badań innowacyjnych i rozwojowych w Instytucie Obróbki Plastycznej. Dotyczyć to będzie zarówno technologii dla produkcji wielkoseryjnych (przede wszystkim dla przemysłu samochodowego) jak również mało- i średnioseryjnych.

Ewolucja mikrostruktur warstwowych w stopach z pamięcią kształtu

The role of thermomechanics in the verification of material models

Thermomechanics is a combination of continuum mechanics and thermodynamics. Instead of thermomechanics the phrase continuum thermodynamics is often used.
Thermomechanics is used in the verification of material models. The verification tool is the Clausius-Duhem inequality which is based on basic laws and axioms of nature such as law of balance of momentum. Every engineer and scientist knows that the forces and bending moments acting on a beam have to satisfy the equilibrium equations. However, the need of a material model to satisfy the Clausius-Duhem inequality is less known. Thermomechanics study material models showing dissipation, e.g. creep and plastic yield. Thermomechanics does not require to study the heat problem.
At the end of the presentation an example is given. In this example a constitutive equation for a high-temperature power-plant material 10CrMo910 is verified. Based on the example every listener will be capable to verify her or his own material model without extensive knowledge of thermomechanics.
The copies of the transparents are given to the audience. The presentation is prepared having in mind also the students who may not have any previous knowledge of thermomechanics.

Kilka przykładów z mechaniki pękania, kryteria skali mezo i makro

Sedimentation

Current topics in ortopaedic and rehabilitation biomechanics

Jakościowe przewidywania w mikromechanice materiałówniesprężystych

Dynamic methods of subsurface imaging of defects

Procesy i miary uszkodzeń od obciążeń eksploatacyjnych

Effect of activation parameters on strain rate and temperature sensitivity of steels. Development of a predictive model

Strength enhancement of cellular structures under impact loading

The presentation aims at the understanding of the strength enhancement of cellular materials under impact loading. It tends to answer whether or not (and if yes, why?) there is a structural effect responsible for this enhancement, which is not due to the base material rate sensitivity. A model structure (a Cu-Zn alloy square tube) is experimentally, numerically and theoretically studied. Actually, the observed crushing mode of this square tube is a progressive folding process, the same mode as for the cellular structures such as IFAM aluminium foam and honeycombs.
Static and dynamic compressive tests on the specimen of small dimension cut from this brass tube is performed to prove the rate insensitivity of the base materials. Afterwards, experimental compressive crushing tests of this square tubes are performed under static and dynamic loading. A large scale direct impact Hopkinson bar test allows for a reliable measurement of the force and the displacement history under impact loading (7-15 m/s). It shows that there is a significant enhancement of progressive peak crushing forces.
On the basis of this experimental observation, it is clear that the augmentation of the crushing resistance of the square tube (with a progressive folding mechanism) have an origin other than the rate sensitivity of the base material. Numerical reproductions of those crushing tests under static and impact loading is realised in order to examinate the local information such as the time history of stress and strain fields in the whole tube, which is difficult to measure especially under impact. It shows that the regions around the four ridges of square box column remain straight while the middle plan plates is already in a deep bending. Furthermore, these corner line zones support the most part of the global crushing loading. The buckling of these ridge-areas determines the progressive peak load in a folding process and the lateral inertia effect is the main reason of the enhancement of this progressive peak load.
Theoretic analysis of an idealised square box column model leads to a pretty good predictions of initial and especially progressive crushing peak loads. Post mortem microhardness measurement confirms such numerical observation and gives besides a remarkable fitness between experiments and simulations. It provides then a convincing validation of such a inertia effect theory.

Piezodiagnostyka - wykrywanie i identyfikacja defektów w konstrukcjach

Kryterium mechanicznego bliźniakowania kryształów RSC

W referacie przedstawiona zostanie dyskusja wyników doświadczalnych nad anizotropią plastyczną kryształów RSC zawierających wysokie gęstości dyslokacji. Badania nad anizotropią plastyczną zostały przeprowadzone przy pomocy eksperymentów z nieciągłą zmianą orientacji kryształów prowadzących do określenia roli "umocnienia utajonego". W szczególności zostanie zaproponowane kryterium wyboru dominującego systemu ścinania sieci krystalicznej materiału oraz podkreślona różnica pomiędzy wyborem systemu poślizgu a systemu bliźniakowania. Proponowane kryterium mechanicznego bliźniakowania jest następujące: Mechaniczne bliźniakowanie występuje w materiałach RSC wtedy jeśli spełnione są równocześnie trzy warunki: (1) stosunek rozłożonego naprężenia ścinającego do naprężenia krytycznego dowolnego systemu bliźniakowania jest większy aniżeli każdego innego systemu poślizgu, (2) rozłożone naprężenie ścinające jest większe od naprężenia koniecznego dla bliźniakowania, (3) kierunek rozłożonego naprężenia ścinającego spełnia warunek polaryzacji ścięcia bliźniaczego. Z kolei dla aktywacji dominującego systemu poślizgu wystarczy jeśli stosunek rozłożonego naprężenia ścinającego do naprężenia krytycznego dowolnego systemu poślizgu jest większy aniżeli każdego innego systemu bliźniakowania. W referacie zostaną również poruszone inne ważne własności krytycznego naprężenia bliźniakowania.

Analiza dynamiczna złożonych dyskretno-ciągłych ukladów mechanicznych (rozprawa habilitacyjna)

Dynamics of surface-coated elastic solids

Stopy metali wykazujące pamięć kształtu

Numeryczna analiza lokalizacji odkształceń w materiałach sypkich i kruchych

Współczesne metody ultradźwiękowego obrazowania tkanek

Using neutrons for engineering purposes - application to martensitic transformations in shape memory alloys

Naprężenia w strukturach laserowych (AlGaIn)N

Pomiary tekstury zbożowych produktów spożywczych metodą emisji akustycznej

Dynamics and time-stepping schemes for elastic shells undergoing finite rotations

Charakterystyka mikrostruktury biomateriałów tytanowych metodami mikroskopii elektronowej

Obróbki jarzeniowe tytanu i jego stopów w aspekcie zastosowań w medycynie i energetyce

Tytan i jego stopy, w tym najnowsze typu np. Ti6Al7Nb, Ti35Nb5T6,7Zr wykonane specjalnie dla potrzeb medycyny, należą do najbardziej perspektywicznych biomateriałów metalicznych w uwagi na:

1. najwyższą odporność na korozję biologiczną wśród biomateriałów metalicznych,
2. stosunkowo dobre właściwości mechaniczne przy niskiej gęstości - dwukrotnie mniejszej od stali austenitycznych i stopów kobaltowo-chromowych,
3. najniższy ze stosowanych biomateriałów metalicznych moduł sprężystości, co odgrywa istotną rolę w wytwarzaniu implantów kostnych.

Dotychczasowe badania dotyczące biomateriałów metalicznych wykazały, że uzyskany został ich pułap biotolerancji i własności mechanicznych przez dobór skadu chemicznego i fazowego.
Stosowanie tytanu i jego stopów, podobnie jak w/w biomateriałów metalicznych, ogranicza jednak ich niska odporność na zużycie przez tarcie oraz zjawisko metalozy, co może powodować uwalnianie czynników zapalenia, a po długim czasie prowadzić do lymphoadenopatii, czy też - w przypadku powszechnie stosowanego w medycynie stopu Ti6Al4V - jest czynnikiem rakotwórczym (przechodzenie wanadu). Innym podnoszonym problemem jest uzyskanie dla implantów kostnych dobrego połączenia z otaczającymi tkankami, a dla ruchomych protez i instrumentarium medycznego niskiej przyczepności komórek. Jedynym sposobem rozwiązania tych problemów jest obecnie opracowanie nowatorskich metod inżynierii powierzchni, które pozwolą na wytworzenie warstw powierzchniowych o ściśle określonej mikrostrukturze, składzie chemicznym i fazowym, topografii powierzchni, twardości, stanie naprężeń własnych, eliminujących zjawisko metalozy, o wysokiej odporności na zużycie przez tarcie oraz będącej funkcją tych wielkości biozgodności kształtowanej w zależności od przeznaczenia biomateriału.
Perspektywicznymi metodami są obróbki jarzeniowe oraz tzw. metody multipleksowe, tj. łączące np. procesy naparowywania próżniowego czy też autokatalicznego osadzenia niklu z procesami jarzeniowymi. Poprzez zastosowanie tych nowych metod inżynierii powierzchni - opracowanych na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej - można wytwarzać na tytanie i jego stopach kompozytowe warstwy powierzchniowe również z faz międzymetalicznych z układu Ti-Al, co pozwoli na znaczne rozszerzenie zakresu zastosowań tych materiałów także w przemyśle energetycznym.

Badanie struktur niejednorodnych w nanoskali przy pomocy metody SAXS

Zagadnienia dynamiczne w kontakcie tocznym

Nanomateriały - preparatyka, badania właściwości, zastosowania

Optimal sensors and actuator methodology

Polimery jako materiały

Asymptotic models for elastic media containing non-planar cracks. Statics and dynamics

Wpływ kierunku wstępnego odkształcenia na proces magazynowania energii podczas rozciągania polikryształów.

Komputerowa symulacja położeń atomów z wykorzystaniem dynamiki molekularnej. Zastosowanie do opisu deformacji struktur półprzewodnikowych

Metoda emisji akustycznej - wprowadzenie i przykłady pomiarów

Termodynamiczna teoria sprężysto-lepkoplastyczności ciał polikrystalicznych. II. Aktualne zastosowania

Termodynamiczna teoria sprężysto-lepkoplastyczności ciał polikrystalicznych. I. Podstawy fizykalne i matematyczne teorii, analiza podstawowych własności

Spin i orbitalny moment pędu wiązek optycznych: fizyczne podstawy i zastosowania w badaniach materiałowych

Predictions of bifurcation and instabilities during dynamic extension

PLAN PREZENTACJI

1. Charakterystyka możliwości badawczych systemu Gleeble 3800 w zakresie symulacji fizycznej procesów odlewania i przeróbki plastycznej, a także operacji spajania metali i stopów.
2. Geneza powstania i możliwości badawcze symulatora MAX_Strain.
3. Prezentacja wyników wstępnych badań zrealizowanych za pomocą symulatora MAXStrain.
4. Propozycja wspólnych badań realizowanych w ramach działalności sieci AMAS - NOE.

Analiza niezawodności procesu tłoczenia blach przy użyciu metody powierzchni odpowiedzi

Zastosowanie symulatora MAXStrain do badań podstawowych, związanych z technologiami wytwarzania struktur ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych w metalach i stopach

PLAN PREZENTACJI

1. Charakterystyka możliwości badawczych systemu Gleeble 3800 w zakresie symulacji fizycznej procesów odlewania i przeróbki plastycznej, a także operacji spajania metali stopów.
2. Geneza powstania i możliwości badawcze symulatora MAX_Strain.
3. Prezentacja wyników wstępnych badań zrealizowanych za pomocą symulatora MAXStrain.
4. Propozycja wspólnych badań realizowanych w ramach działalności sieci AMAS - NOE.

Sylwetki profesorów Wacława Olszaka i Antoniego Sawczuka

Przegląd zagadnień termicznych w biomechanice (na podstawie literatury)

Segmentacja obrazów EIT słońca otrzymanych z misji SoHO metodą wododziału i łączenia obszarów

Centroidal Voronoi- przegląd

Contact optimization with account of wear

The influence of residual stress on the dynamics of thin - film surface - coated elastic solid

Twierdzenie o statycznym przystosowaniu dla dużych odkształceń (shakedown)

Niskowymiarowe struktury materiałowe i osobliwości van Hove\'a

Mikroskopowe fluktuacje w opisie mechaniki ośrodków wielofazowych

Micro-finite element analysis of bone: state-of-the-art

Wieloetapowa Optymlizacja topologiczna konstrukcji zginanych

Structure and mechanics of arteries

Optimization Methods for Dynamic Systems: Application in Railway Engineering

Produkcja odlewów metodą zgazowanych modeli - aktualny stan wiedzy i umiejętności ( godz 10.30 )

Studium propagacji makroszczeliny wzdłuż warstwy łączącej dwa materiały w problemach mezomechaniki

O przyrostowej pracy odkształceń plastycznych i niezmienniczości miar w mechanice sprężysto-plastycznych ośrodków ciągłych

Model przetwornika grzebieniowego

Modelowanie własności makroskopowych kompozytów wieloperiodycznych

Finite Element analysis of contact problems

Podejście przedziałowe w obliczeniach numerycznych

Wykorzystanie testu indentacji do identyfikacji własności sprężysto-plastycznych metali

Constitutive Superior Sand model with application to static liquefaction analysis

On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in NiTi alloy (wg. prac J.A.Show i S. Kyriakides - 1995-2000)

Semi-aktywne tłumienie drgań

Study of Mechanical Behaviour of fabric element

Ocena współczynników transportu kompozytów metodą wielopunktowych ułamków łańcuchowych i aproksymant Pade. Wyniki i perspektywy.

Naprężenia w nanostrukturach półprzewodnikowych

Warunki stanu granicznego anizotropowych materiałów

Uroczystość Jubileuszowa z okazji 70-lecia profesora Piotra Perzyny

Mechanika nasyconych materiałów przepuszczalnych wrażliwych chemicznie

Modelowanie warstwowych struktur martenzytycznych w kryształach z pamięcią kształtu

Modelowanie krzepnięcia i stygnięcia dwuskładnikowych stopów metali- pola temperatury, stężeń i naprężeń.

Tolerancje wykonania w optymalizacji projektowania konstrukcji

Course on Mechanics of Advanced Materials, October 8-12, 2001

Singularities in elasticity with pre-stress

Serowanie i stabilizacja układów o prametrach rozłożonych: elementy teorii i metody numeryczne

Analiza interakcji mikroszczelinw materiałach kruchych poddanych ściskaniu

Temperature dependence of deformation mechanisms and crack growth behaviour in advanced high-temperature Ni-based alloys for stationary gasturbines

Wpływ szpiku na odpowiedź tkanki kostnej: zastosowanie aproksymant Pade

suspensions and noisy brakes-three mathematical problems from industry.

Exact controlability of elastic and piezoelectic materials

Behaviour of a sheet steel: effect of adiabatic heating

Controlling nonlinear systems (subjected to random noise) by specification of response moments

Magnetorheological dampers: smart damping strategies for protection of civil infrastructure

Numeryczna analiza wpływu różnych efektów na ruch makroszczeliny

Analiza modeli tarcia w zagadnieniach wytłaczania blach (na przykładzie S-rail)

Interakcja falowa w zagadnieniach lokalizacji deformacji plastycznych

Proces magazynowania energii podczas makroskopowo niejednorodnej deformacji plastycznej

Optical fibre sensing in material and structural mechanics

Generatory liczb losowych oparte na układach dynamicznych

Tworzenie się nanostruktur na powierzchniach szyn kolejowych

Fenomenologiczna teoria zagęszczania konsolidujących zawiesin - III

Fenomenologiczna teoria zagęszczania konsolidujšcych zawiesin - II

Fenomenologiczna teoria zagęszczania konsolidujących zawiesin - I

Ewolucja rzeczywistej powierzchni kontaktu w procesach obróbki plastycznej

Przykłady zastosowania modelu plastyczności z efektami mikropasm ścinania

Modelowanie zniszczenia wwarstwach kontaktowych

Analiza Dyslokacji i Naprężeń w Warstwach Epitaksjalnych

Efekty dynamiczne kontaktu tocznego

Nanomateriały - aspekty krystalograficzne

Numeryczna analiza wpływu efektów falowych na ruch makroszczeliny

Zmodyfikowane równanie Ficka i osmotyczny model zniszczenia wodorowego w stali- część 2

Karby: rząd osobliwości w materiale ortotropowym

Efekt masy dołączonej dla ośrodków porowatych

Ewolucja anizotropii plastycznej blach wywołana rozwojem tekstury krystalograficznej

Analiza wrażliwości na kształt i na parametry w optymalizacji procesów obróbki plastycznej metali

Zmodyfikowane równanie Ficka i osmotyczny model zniszczenia wodorowego w stali

Analiza wrażliwości w problemach kontaktowych z tarciem

Przedstawiona zostanie analiza wrażliwości metodą bezpośredniego różniczkowania (DDM) w zastosowaniu do dwuwymiarowych problemów kontaktowych z tarciem wraz z przykładami numerycznymi (MES).

Investigating Droplet Generation in Microfluidic Cross-Junctions: Mechanisms and Applications as Cell Incubators

A network of microfluidic channels may resemble the circuit of an electronic chip, but with the flow of fluids instead of an electric current. Droplet microfluidics is a discipline that encompasses the science and engineering of fluid flow in micro- or nano-sized channels in the presence of an interface. In my research, I focused on understanding the fundamentals of droplet formation at a low Capillary number regime, Ca≤ 10-3. In this regime, the droplet-formation mechanism deviates from the commonly known squeezing regime of higher Ca. Firstly, the experiment revealed an explosion in droplet size. Secondly, there is an extension of the neck before pinch-off. I provided mathematical analysis for these phenomena at a very low Ca regime. The classical mathematical model of the squeezing droplet formation has been expanded based on the current analysis. The result promotes a more general understanding of droplet formation in the microfluidic devices. Additionally, I will also discuss the challenges of using droplets as a biological incubator.

This seminar will be a part of the opening of the PhD dissertation procedure.

Multi-scale simulations to understand specific recognition by phase-separated Biomolecular condensates

Many biomolecular phase separate in cells. However, it is not clear how these condensates stay separate chemical environments and provide for specific biological regulation. Distinct phases are hypothesized to spatio-temporally regulate two key stages in copying the genetic information from DNA to RNA, transcription initiation and the elongation of the nascent RNA transcripts. However, it has remained unclear whether these phases would mix when present at the same time or remain distinct chemical environments; either as multi-phase condensates or by forming entirely separate condensates. Here we elucidate under what conditions phase-separated condensates can regulate biochemical processes combining particle-based multi-scale simulations and experiments in the pioneering model organism C. elegans. We show how a chemical modification of the disordered C-terminal domain of RNA polymerase II (CTD), i.e., post-translational phosphorylation, as part of its natural function can control the existence and morphology of multi-phasic condensates depending on whether it is phosphorylated or not. We show that the two phases putatively underpinning the initiation of transcription and transcription elongation constitute distinct chemical environments, which could underpin selective recruitment of additional factors to these two phases. The morphologies predicted by the simulations agree with the co-localisation but incomplete mixing of CTD and pCTD condensates found in super resolution microscopy of C. elegans embryos by J. Padeken and co-workers (IMB Mainz). Computing surface tensions from molecular dynamics simulations with a generally applicable approach we establish under what conditions they remain separate either as multi-phase condensates or by forming entirely distinct condensates. Comparisons to atomistic reference simulations and experiments highlight that our simulations capture the essential elements of CTD interactions. Simulations account for the lower critical solution (LCST) behaviour of CTD in C. elegans with condensates dissolving at lower temperatures whereas at higher temperatures the CTD condensates are more stable unlike other nuclear condensates which further illustrates the co-existence of condensates with different properties in the nucleus.

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZEtfuqtqTksGdLpkoGNeDN45VT9hGNBNXH6 After registering, you will receive a confirmation email containing information about joining the meeting.

Prediction of protein-nucleic acid complexes and RNA structures

Protein-DNA interactions orchestrate gene regulation, repair, genome packing, and genome editing. Once believed DNA to be a silent partner in recognition, it is now accepted that DNA sequence/structure relationships are responsible for specificity. As a field we lack the physico-chemical understanding of how proteins and DNA recognize each other. The Protein Data Bank contains sparse information on protein-DNA systems and among the few computational tools that can tackle protein-DNA binding – none of which consider sequence effects. New methods will bring insights into the molecular mechanisms dictating the formation of protein-DNA assemblies, with impact beyond biology into nanotechnology, nanomedicine and nano-delivery, and in clinical diagnosis.

We present MELD-DNA (Modeling Employing Limited Data) as a Bayesian inference approach combining general guiding principles and molecular dynamics to predict bound conformations of proteins to DNA. The MELD approach has been successful in predicting protein folding, protein-peptide, and protein-protein binding. Here we incorporate recent advances in DNA force fields with general binding principles that repeat along the DNA helix. MELD-DNA can sample multiple binding/unbinding events, along multiple binding modes and identify the native one.

MELD-DNA overcomes the challenge of large conformational changes and high number of charges involved in protein-DNA binding which have limited the use of docking approaches. MELD correctly predicts the binding of 10 out of 15 systems involving different degrees of difficulty. Furthermore, MELD is sensitive to sequence and conformational preferences. We then challenged the MELD-DNA approach for a purpose it was not trained on: predicting the structure of RNA sequences within the RNA puzzles competition event.

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZYocuusrDsvHdXpWh0saaY_l0XBbc9eRlWV

The role of empty spaces within biological structures

Biological structures, ranging from single proteins to their complexes and large macromolecular machines, often exhibit intriguing topological features, including empty spaces within their interiors. In this talk, I will delve into the methods for detecting and characterizing such cavities (e.g. SPACEBALL server [1]). We will explore the significance of these cavities and present the findings from our simulations of protein dynamics within the empty space of the ribosomal exit tunnel. Additionally, we will discuss variations in ribosomal structures across different domains of life and their influence on protein dynamics.

References:
1. http://info.ifpan.edu.pl/~chwastyk/spaceball/

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZApf-GsrzksE935K56UsokkJRBPDKYZlFj-

A millisecond coarse-grained simulation approach to decipher allosteric cannabinoid binding at the glycine receptor α1

Pentameric Ligand gated ion channels (pLGICs), as the glycine receptors (GlyRs), can be regulated by small-molecule binding at several allosteric sites (1,2). Endocannabinoids like tetrahydrocannabinol (THC) and N-arachidonyl-ethanol-amide (AEA) potentiate GlyRs, but their mechanism of action remains unknown. Using millisecond coarse-grained (CG) MD simulations powered by Martini 3 force-field (3,4) it has been possible to characterize their binding site(s) at the Zebrafish GlyR-α1 with atomic resolution. Based on hundreds of thousand ligand-binding events, cannabinoids are found binding at both intrasubunit and intersubunit sites in the transmembrane domain. For THC in particular, intrasubunit binding is in excellent agreement with recent cryo-EM structures (5), while for AEA binding evidences offer predictions on involved residues to be tested experimentally. The results highlight the complexity of allosteric regulation of synaptic receptors and establish an original simulation protocol for the identification and characterization of allosteric binding sites in the transmembrane region.


References:
1. Lynch, J. W. Molecular structure and function of the glycine receptor chloride channel. Physiol. Rev. 2004, 84, 1051–1095.
2. Cerdan, A. H.; Sisquellas, M.; Pereira, G. P.; Barreto Gomes, D. E.; Changeux, J.-P.; Cecchini, M. The Glycine Receptor Allosteric Ligands Library (GRALL). Bioinformatics 2020, 36, 3379–3384.
3. Souza, P. C. T.; Thallmair, S.; Conflitti, P.; Ramirez-Palacios, C.; Alessandri, R.; Raniolo, S.; Limongelli, V.; Marrink, S. J. Protein–ligand binding with the coarse-grained Martini model. Nat. Commun. 2020, 11, 1–11.
4. Souza, P. C. T.; Alessandri, R.; Barnoud, J.; Thallmair, S.; Faustino, I.; Grünewald, F.; Patmanidis, I.; Abdizadeh, H.; Bruininks, B. M.; Wassenaar, T. A., et al. Martini 3: a general purpose force field for coarse- grained molecular dynamics. Nat. Methods 2021, 18, 382–388.
5. Kumar, A.; Kindig, K.; Rao, S.; Zaki, A.-M.; Basak, S.; Sansom, M. S.; Biggin, P. C.; Chakrapani, S. Structural basis for cannabinoid-induced potentiation of α1-glycine receptors in lipid nanodiscs. Nat. Commun. 2022, 13, 1–14

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZAvfuuqqzIoGNxQQu_rQA3rQ2p6l6sfoB2L

Understanding the Molecular Origin of Emergent Behavior in Membrane Remodelling

Emergent properties of living systems evolve through a cascade of fascinating ordering events, performer by the constituent biomolecules. How do large-scale organization of living matter (organelles, cells, tissues) emerge from the complex self-assembly of their constituent molecules (DNA, proteins, lipids)? What are the mechanical forces that govern such remarkable organization? Can we understand the emergent dynamics of living matter using existing physical and chemical laws? Do we need new concepts? – Answer to these questions are far from being obvious. In this talk, I will discuss my efforts to understand the principles of organization in living matter with a focus on molecular origin of membranę remodeling events.I will first introduce the audience to the novelty of bottoms-up, coarse-grained computational modeling approaches, in order to develop understanding of collective behavior in living systems at mesoscale[3]. Emergent phenomena occurring in cellular systems are always accompanied by changes in cell shape, and therefore remodeling of their physical envelope, the bilayer membrane. However, due to the inherent complexity of these cellular processes, it often remains unclear what drives the formation of such unique membrane morphologies and the associated events. Coarse-grained molecular models serve as one of the best strategies to approach this problem. I will describe our efforts to understand three important cellular events which involve membrane remodeling — membrane budding[4], membrane division[5] and membrane endocytosis[6]. We found that each of these events can be uniquely controlled by controlling the lipid distribution between the two leaflets of the bilayer membrane. Small changes in such transbilayer asymmetry generate large difference in mechanical tensions of the leaflets, which in turn control the preferred membrane curvature and morphology. Our results challenge the popular believe that membranę remodeling can only be achieved by complex cellular machinery and demonstrate alternative, non-trivial mechanisms of membrane remodeling, arising from the principles of membrane curvature elasticity which can be adopted in synthetic experimental procedures to drive remodeling of nanovesicles or liposomes.

1. Hafner, Anne E., Johannes Krausser, and Anđela Šarić. Curr. Op. Struc. Biol. 58, 43-52 (2019).
2. R.Ghosh, V. Satarifard, A. Grafmüller, R. Lipowsky. Nanoletters, 19, 7703 (2019).
3. R. Ghosh, V. Satarifard, A. Grafmüller, R. Lipowsky. Acs Nano. 15, 7237-7248 (2021).
4. R. Ghosh, V. Satarifard, R. Lipowsky. Nat. Comm. 14, 615 (2023).

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZUkd-GrrDosH9aw3q8a86OBgUeHgqwZ2rvj

Modeling protein secondary structure formation: Comparing folding pathways of a-helices vs. b-hairpins

We have performed molecular dynamics (MD), replica-exchange (REMD) simulations and kinetic modeling to study folding pathways of model peptides forming helices and a hairpin. The simulation results are in good agreement with available experimental data on structure content and folding timescales, while providing novel microscopic insights into the fundamental processes of secondary structure formation. For helix-forming peptides, we investigated effects of sequence and length on folding. In alanine homopeptides (ALA)n of length n=5, 8, 15, and 21 residues we find helix populations and relaxation times increasing from about 6% and ~2 ns for ALA5 to about 60% and ~500 ns for ALA21, and folding free energies decreasing linearly with the increasing number of residues. Helices tended to fold along multiple pathways, through various intermediates. Statistically the helices were most stable in the central region. However, the individual folding transitions tended to follow a random-walk path, with local dynamics involving correlated transitions of blocks of several consecutive hydrogen bonds. For the 16-residue GB1 hairpin peptide a folded fraction of 40% and global relaxation time of 1.8 were calculated at 320 K. Folding followed the zipper model with nucleation at the central turn followed by consecutive hydrogen bond formation. The transitions were highly cooperative, with all backbone hydrogen bonds and sidechain hydrophobic interactions forming essentially at the same time. Coarse grained kinetic modeling showed transitions to off-path intermediates and identified the transition state for hairpin formation, involving the formation of the central turn and first hairpin hydrogen bond. The ‘hairpin’ state was also found to be heterogenous, including the fully folded and partially folded in-register hairpins along the zipper pathway.

Activation and Allosteric Modulation of G Protein-Coupled Receptors

G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest family of cell surface receptors in the human body (about 800 members) and play a key role in cellular signaling. Since the allosteric ligands and modulators can alter the orthosteric ligand binding and signaling of GPCRs, this is a huge opportunity in development of novel therapeutics. Allosteric modulator drugs directed at GPCRs provide the opportunity to modulate receptor function in diverse ways, thus offering the potential for differential efficacy and improved safety, due to lesser side effects, compared to ligands binding in classical orthosteric site.

The cannabinoid CB1 receptor is the most abundant G protein-coupled receptor (GPCR) in the human central nervous system and, together with CB2 receptor, is a part of the endocannabinoid system. In order to study the allosteric binding of cannabidiol (CBD) to CB1R we modeled the whole N-terminus of this receptor using the replica exchange molecular dynamics with solute tempering (REST2) approach. Then, the obtained structures of CB1R with the N terminus were used for ligand docking: a natural cannabinoid receptor agonist, tetrahydrocannabinol (THC), was docked to the orthosteric site, while a negative allosteric modulator, CBD, to the allosteric site positioned between extracellular ends of helices TM1 and TM2. The subsequent molecular dynamics simulations allowed us to discover the allosteric network responsible for the modulation of the CB1R by CBD, and the significant changes in the orthosteric binding of THC. We have also found that the presence of a complete N-terminal domain is essential for a stable binding of CBD in the allosteric site of CB1R as well as for the allosteric-orthosteric coupling mechanism.

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZ0tc-yvqDsiGNdDYAX4e4NiS2aAwbHiPg32 After registering, you will receive a confirmation email containing information about joining the meeting. Host: Dr. Adolfo Poma

Computer analyses and design of ligand-transport processes critical for protein functions

Enzymes are indispensable for the function of every living cell, catalyzing the efficient execution of a vast number of concurrent chemical reactions. These reactions occur in the enzymes' active sites exposed on the protein surface or, very frequently, buried deep inside its core. Access of substrates and release of reaction products via molecular tunnels is essential for the function of the buried sites. Aside from enabling efficient catalysis, tunnels constitute a structural basis of various regulatory mechanisms critical to the living cell, like substrate inhibition and cooperativity. Despite their utmost importance, tunnels are rarely explicitly considered in protein research due to obtrusive challenges in their identification arising from their often fleeting nature. The ensuing knowledge gap precludes linking tunnel mutations to pathologies, targeting the ligand-transport process with tunnel inhibitors, and designing proficient enzymes with the buried active sites. In this talk, we will review challenges connected with uncovering transient tunnels from molecular dynamics simulations, their engineering, and their functional impacts on enzyme function. We will also briefly outline future steps to be taken to develop the necessary tools and appropriate protocols to obtain a more comprehensive understanding of transport processes
Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZEpd-uhqD0uHNK6IQ9IM_M8j3zPnZ78wxUF

After registering, you will receive a confirmation email containing information about joining the meeting.

Host: Dr. Adolfo Poma

Lessons learned from lipid membrane modeling studies

Lipids are amphiphilic molecules that serve as building blocks for cell membranes; they actively participate in various cellular processes. Membranes are barriers for and within the cell; lipid diversity varies across organisms and even within cell compartments. Such diversity results in different mechanical and structural properties in the membrane that modulates the interaction with other biomolecules. Molecular dynamics simulations have become a powerful tool to study biological systems. Over the past few years, all-atom models have used lipid mixtures to account for lipid diversity in the cell. It is crucial to select an appropriate lipid mixture to accurately reproduce the membrane environment of the intended process of study. Realistic membrane modeling can help the sampling of events that occur at the membrane interface at the atomistic level, as it will be discussed with specific examples of endogenous and viral proteins on model membranes.

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZwvf--hrzMrHNLaL7U9a21nHfBMDCKgnX23 After registering, you will receive a confirmation email containing information about joining the meeting.

Multiscale simulation of biomembrane shapes

Biomembranes are essential functional elements of the cellular architecture, providing identity to the cell, and many internal organelles. An intriguing aspect of biomembranes is their ability to assume a variety of shapes, which is crucial for many cellular processes such as food update, cell division, and cellular respiration. In this talk, I will present our recent advances in exploring biomembrane spatial organizations using multiscale computer simulations. I will shortly talk about our new software, FreeDTS, for the mesoscopic simulation of biomembranes and the backmapping software, TS2CG. Then I will show how simulations can provide detailed insight into membrane-involved processes and make predictions for experimental validation. Finally, I will discuss how close we are, in terms of complexity and scale, to simulating realistic membranes and sketch a possible way ahead.

Remarks: Registration link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZMpfu2gqj0rHtaY8sYCSpoYG-hORTnz5ZpW Host: Dr. Adolfo Poma

Physics-inspired machine learning force fields for flexible molecules

In recent years, the use of machine learning (ML) in computational chemistry has enabled numerous advances previously out of reach due to the computational complexity of traditional electronic-structure methods. One of the most promising applications is the construction of ML-based force fields (FFs), with the aim to narrow the gap between the accuracy of ab initio methods and the efficiency of classical FFs. This has provided a tool for computing several physicochemical properties that would require millions of CPU hours otherwise. The key idea is to learn the statistical relation between chemical structure and potential energy without relying on a preconceived notion of fixed chemical bonds or knowledge about the relevant interactions. To achieve this goal, we have developed a great variety of methodologies that include the generation of extensive quantum-mechanical datasets of organic molecules as well as the augmentation of semi-empirical methods [1-3]. Besides presenting our latest advances in constructing reliable ML-FFs for flexible and complex molecular systems, this seminar also provides an overview of the fundamental concepts that underpin ML-FFs and discusses the challenges involved in their generation.


1. J. Hoja, L. Medrano Sandonas, B.G. Ernst, A.V. Mayagoitia, R.A. DiStasio Jr., A. Tkatchenko, Sci. Data 8, 43, (2021).
2. M. Stöhr, L. Medrano Sandonas, A. Tkatchenko, J. Phys. Chem. Lett. 11, 6835, (2020).
3. O. Unke et al., (2022). https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.08306

Remarks: Registration Link: https://us06web.zoom.us/meeting/register/tZAucOytrzwjHdQhRDklEeu35TkQFS2znkob After registering, you will receive a confirmation email containing information about joining the meeting.

Mechanostability of Staphylococcus aureus adhesins

S. aureus bacteria have an arsenal of virulence factors to target and adhere to their host. Among these virulence factors, the formation of biofilms shelters the bacteria and enhance the persistence of infection, protecting the colonies from biocides and antibiotic therapies. Adhesins play critical roles in the formation of biofilm, especially during the early step of adhesion when the bacterial cells are exposed to mechanical stress. Termed microbial surface components recognizing adhesive matrix molecules (MSCRAMMs), these adhesins bind to their target ligands, holding it tight to them even at extreme force loadings that largely outperform classical binding forces1-3. Here we take advantage of a powerful in silico single-molecule force spectroscopy (SMFS) approach that combines all-atom and coarse grained steered molecular dynamics (SMD) to showcase the extreme mechanostability of the MSCRAMMs family. With increasing prevalence of multidrug resistant bacterial infections, our work with adhesins could be exploited for the development of antiadhesion strategies as an innovative alternative to antibiotics.

1. L.F. Milles, K. Schulten, H.E. Gaub, R.C. Bernardi, Science (1979) 359 (2018) 1527–1533.
2. P.S.F.C. Gomes, D.E.B. Gomes, R.C. Bernardi, Frontiers in Bioinformatics 2 (2022).
3. P.S.F.C. Gomes, M. Forrester, M. Pace, D.E.B. Gomes, R.C. Bernardi, Front. Chem. 11 (2023) 66.

Remarks: Join Zoom Meeting https://us05web.zoom.us/j/6099765682?pwd=YmFuN0RXR0x1eU9vUGJuWCt3UDFlUT09 Or by, Meeting ID: 609 976 5682 Passcode: perupol

From organic molecules to the nanoscale: The computational framework to design and improve functional materials

The future of the European industry requires advances in the development and characterization of functional materials that will lead to the reliable development of new and suitable materials for various applications, such as antibacterial activity and the removal of toxic ions from water samples1. The development of new advanced materials requires an understanding of the relationship between their structure and physicochemical properties, such as the determination of the zeta potential of nanoparticles, which can provide insight into the cellular uptake and toxicity of nanoparticles in a living organism2, the uptake of drug-loaded nanoparticles, and insights into drug delivery3. To address these applications, we have modeled the functional materials that influence the specific functional properties that lead to the potential applications. In this context, the design of functional materials from the migration of organic molecules to nanoscale compounds offers multiple potential applications due to the different environmental conditions that enhance certain properties in the pursuit of industrial applications. In this scenario, we used specific computational tools along with machine learning techniques to design the functional material and validate it with experimental data.

References
1. Kumari, et al. Chem. Asian J. 2014, 9, 830-837.
2. Mikolajczyk, et al. Chem. Mater. 2020, 27, 2400-2407.
3. Patra, et al. J. nanobiotechnology. 2018, 16, 1-33.

Hierarchical correlation reconstruction - between statistics and machine learning

While machine learning techniques are very powerful, they have some weaknesses, like iterative optimization with many local minimums, large freedom of parameters, lack of interpretability and accuracy control. From the other side we have classical statistics based on moments not having these issues, but providing only a rough description. I will introduce and show on various applications HCR family of methods combining their advantages: with MSE-optimal moment-like coefficients, but designed such that we can reconstruct (joint) probability distributions from them, also modeled in adaptive/evolving way, or predicted from other information.

Modele przestrzenne odpowiedzi populacji komórek na stres

Seminarium jest związane z oceną śródokresową doktoranta.

Remarks: Seminarium odbędzie w formie zdalnej pod linkiem: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Rola impulsowych pobudzeń w komórkowych ścieżkach regulatorowych

Seminarium jest związane z oceną śródokresową doktoranta.

Remarks: Seminarium odbędzie w formie zdalnej pod linkiem: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Modeling of cytokine signaling in simple cells

Seminarium jest związane z oceną śródokresową doktoranta.

Droplet formation in cross junction device and development of microfluidic devices for Single Cell Analysis

This seminar is a part of doctoral study evaluation.

Remarks: The seminar will be held in hybrid form. Face-to-face talk will be delivered by the speaker in the lecture hall S3. The online transmission will be carried out via gotomeeting program: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Sources of the cell-to-cell heterogeneity in interferon gamma and oncostatin M signaling responses

This is a doctoral seminar.

Remarks: The Seminar will be held online via gotomeeting program: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

PARAMETRIC AND NON-PARAMETRIC METHODS TO ADDRESS COMPLEXITY OF CELLULAR SIGNALING PATHWAYS

This is a a doctoral seminar.

Remarks: The Seminar will be held online via gotomeeting program: https://global.gotomeeting.com/join/810943621

Formation of droplets in the flow-focusing device at ultra low capillary numbers - the singularities due to effects of neck elongation and corner-leaking

This seminar is a part of doctoral study evaluation.
At low Capillary number (Ca), the droplet formation in microfluidic junction centers on the squeezing of the droplet-liquid stream by cross-flow of continuous-phase. Such phenomenon involves the development of neck-shaped concavity of the interface that eventually breaks releasing a new droplet. In the common assumption, the neck shrinks through a series of quasi-static surfaces determined by the instantaneous volume of continuous-phase accumulated behind the neck and the junction's geometry.
Here, in contrast, we show that in the simple Flow Focusing Device (FFD), although similar necking process occurs, the geometry cannot ensure suitable constraints for the quasi-static surfaces making the neck dramatically prone to the shear magnitude. We investigate this phenomenon experimentally using various geometry of FFD and provide mathematical analysis to explain the dependency of neck elongation on the Ca number.
Surprisingly, the elongation of neck shape which sees an increase of neck total surface area was found to be driven by the acts of minimizing surface area by the surface tension. We extend the previous theoretical description of the droplet formation by including discovered Ca-dependency.

Remarks: The Seminar will be held online via gotomeeting program: https://global.gotomeeting.com/join/475293541

Functional geometries and complex architectures in droplet microfluidic devices

I will present my experimental work during my PhD studies in IPPT. My scope is an investigation of droplet microfluidic devices - single geometries ( a metering trap, guiding junction and container of big droplet for bacteria/cell culture growth) and circuits of microfluidics networks.

Remarks: GoToMeeting: 904-048-965 https://global.gotomeeting.com/join/904048965 Cykl zdalnych seminariów doktorantów ZTI, ZBiMM, ZU

Droplet formation in flow-focusing microfluidic device

The effect channel geometry to the droplet formation in microfluidic flow-focusing device was investigated. A model for predicting droplet length in low Capillary number flow is proposed.

Remarks: GoToMeeting: 904-048-965 https://global.gotomeeting.com/join/904048965 Cykl zdalnych seminariów doktorantów ZTI, ZBiMM, ZU

Nanocrystalline ceramic materials for efficient electrochemical energy conversion

Our research encompasses the development of nanocrystalline ceramic materials for use as electrodes for low-temperature aqueous and high-temperature solid-state electrochemical processes. Especially, we work with electrocatalysts for efficient reduction/oxidation of oxygen, which can be used in energy generation and storage devices, e.g. in fuel or electrolysis cells. By employing materials with nanocrystalline features (particle size, porosity) we achieve high performance of the electrodes.

The focus on our research lies at the border of basic science and technology. We start from powders and their basic characterization, fabrication of functional layers and build small scale operational cells for proof of concept studies.

In this presentation, I will give a brief overview of our activities, including the fabrication of powders, layers and their testing at relevant conditions. Specifically, I will discuss the case of the development of MnCo2O4 spinel electrocatalysts for low-temperature electrolysis cells and La0.6Sr0.4CoO3-δ perovskites for high-temperature oxygen reduction in solid oxide cells.

Electrostatic Atomization: Mechanisms and Parameters in Electric Charging Applied to Vegetable Oil

Electrostatic atomization is an emerging technology with numerous applications, namely, spray combustion, painting, spray coating of snacks, etc. This technology employs electric charging of the hydrocarbon liquids flowing through an electrostatic atomizer to achieve atomization at lower pressures. Electrical charging of these poorly conducting liquids is shown to be of electrochemical nature. Furthermore, parameters affecting the charge transfer to these liquids are studied.
• Sankaran, C. Staszel, F. Mashayek, and A. L. Yarin (2018). Faradaic reactions’ mechanisms and parameters in charging of oils. Electrochimica Acta, 268, 173-186.

Tailoring of photovoltaic or chiroptical properties of new functional polythiophene based materials

In the last decades, polythiophenes have proved to be among the most interesting and useful π-conjugated polymers. Due to their promising optical and electronic properties, they can be employed in several applications including photovoltaic cells, light emitting diodes and thin-film transistors.
Organic solar cells (OSCs) are generally constituted by a bicontinuos interpenetrating network ˗ defined as bulk heterojunction (BHJ) ˗ made of a conjugated polymer and fullerene derivative that acts respectively as electron donor (D) and as an electron acceptor (A) material. Despite regioregular poly(3-alkylthiophene)s have been the most studied and promising electron-donor materials in BHJ, further improvements are currently searched through the synthesis of narrow band gap polymers with higher carrier mobility and wider absorption of the solar spectrum in the near infrared region.
The research activity described during the seminar concerns the synthesis, characterization and study of the optical and photoactivity properties of new organic semiconducting materials based on polythiophenes. In detail, various narrow band gap polymers and copolymers were developed through different approaches and were characterized by several complementary techniques, in order to be tested as active material in air-processed organic solar cells. The activity has also been devoted to investigate the behavior of polythiophenes with chiral side chain, that are fascinating materials capable to assume helix supramolecular structures, exhibiting optical activity in the aggregated state.

MedTech 2020 – how 'digital disruption' can impact healthcare

The continuously rising cost of healthcare and an ageing society threaten even the strongest economies. Today, developed countries spend 9% to 12% (USA 17%) of their GDP on this sector.
Medtech is a broad spectrum of product and technologies for medical and healthcare applications, including prevention, diagnosis, monitoring, therapy, and care. We will look at its complex landscape and how "digital disruption" can impact the future of the medical ecosystem and improve the quality of our lives. We will also discuss the increasing role played by digital health and how it could be used in data-driven decision making, shifting the care paradigm from reactive to proactive.
In addition, I will also present my team and our commitment to medical technologies developed at the Institute. Hopefully, a fruitful discussion on current bio-research that might impact the future of Medtech products will conclude my seminar.

New functional polythiophene materials: fine-tuning of photovoltaic or chiro-optical properties

The last research activity of our group at Dipartimento di Chimica Industriale “Toso Montanari”-University of Bologna, Italy, concerned the synthesis, characterization and study of the optical and photoactive properties of new organic semiconducting materials based on polythiophenes.
There is a remarkable level of interest in the development of π-conjugated polymers (ICPs) which have been employed, thanks to their promising optical and electronic properties, in numerous applications including photovoltaic cells, light emitting diodes and thin-film transistors. Although high power conversion efficiency can be reached using poly(3-alkylthiophenes) (P3ATs) as electron-donating materials in polymeric solar cells of Bulk-Heterojunction type (BHJ), their relatively large band gap limits the solar spectrum fraction that can be effectively harvested. A common approach to the preparation of narrow band gap polymers consists in the design and synthesis of conjugated architectures where an extended π electronic conjugation is achieved by the alternation of electron-donor and acceptor units along the polymer backbone.
New 4,7-bis(3-alkylthiophen-2-yl)benzo(2,1,3)thiadiazole monomers, functionalized with different alkyl chains, have been synthesized through a palladium-catalyzed Suzuki cross-coupling reactions and then polymerized by oxidative coupling using FeCl3. As the side chain functionalization influences the optical and electrical properties of building blocks and related polymeric derivatives, we have therefore also investigated the effect of the insertion of an oxygen atom into different positions in side chains of similar length. Moreover the synthesis of symmetrical trimers with HH (head-to-head) regiochemistry has allowed to obtain completely regioregular polymers despite the use of a non-regio-specific polymerization method.
The newly synthesized polymers have been characterized by common analytical techniques and thus tested as active media in air-processed Bulk-Heterojunction devices, alone and blended with PC61BM (1:1 w/w) as additional acceptor material.
After the interesting results achieved with these main-chain donor-acceptor polymers, the research project was oriented to the development and study of similar systems but having the acceptor units in the side chain, known as double cable materials.
Starting from soluble, regiorandom and regioregular homopolymeric precursors new alkylthiophenic copolymers, bearing the C60-fullerene group at the end of a hexylic side chain at position 3 of the thiophene ring, have been prepared with a simple and straightforward post-polymerization functionalization procedure based on Grignard coupling. The materials were synthesized with different content of fullerene, in order to study the effect on the final performance of the photoactive layer.
Homo- and copolymers were fully characterized and tested as active media in organic solar devices, respectively blended with PC61BM (1:1 w/w) as the acceptor material and as double-cable materials.
The research activity has also been devoted to investigate the behavior of polythiophenes with chiral side chain, that are fascinating materials capable to assume helix supramolecular structures, exhibiting optical activity in the aggregated state.
In this context, since head-to-tail regioregularity has demonstrated to produce a strong influence on the self-assembly of the macromolecular chains in the solid state, an investigation about the influence of regioregularity on the chiral behaviour of optically active polythiophenes was carried out. The polymers were obtained by regiospecific organometallic coupling (GRIM method) or non-regiospecific oxidative coupling with FeCl3, starting respectively from chiral mono- or bithiophenic monomers. These procedures allow to obtain the corresponding polymeric derivatives with well defined head-to-tail (HT) or head-to-head/tail-to-tail (HH-TT) regioregularity. Moreover, the effect of the presence of a different heteroatom (oxygen or sulfur), connecting the alkyl chiral side chains to the thiophene ring, was studied.
The optical activity of polymers was evaluated by circular dichroism (CD), upon aggregation of the macromolecules by gradual addition of a poor solvent to their chloroform solutions.

Massimiliano Lanzi, Elisabetta Salatelli, Luca Zuppiroli, Martina Marinelli
Conjugated polymers group
Department of Industrial Chemistry “Toso Montanari”
Viale Risorgimento, 4
40136 Bologna Italy

Aβ peptides and β-sheet breakers. A coarse grained molecular dynamics approach using GoMartini

The problem of protein misfolding is at the origin of a class of pathologies called protein conformational disorders (PCD) to which all neuro-degenerative diseases belong. PCD’s are characterized by the misfolding of proteins that grow in aggregates of fibrillar shape. Among them, Alzheimer Disease (AD) is one of the most studied for its high impact on the modern society. The plaques present in the brain of AD patients show deposition of fibril made of amyloid β (Aβ) peptides [1]. The process that leads to misfolding, aggregation and amyloid plaques formation is not yet fully elucidated. It seems, however, that the “trigger” of the process is an abnormal switch of the peptide secondary structure leading to β-sheet formation.
Several factors are known to affect Aβ aggregation processes. An important role seems to be played by metal ions that have been observed to be quite abundant in fibrils [2-4]. Recently, the observation that short synthetic peptides, called β-sheet breaker (BSB's), are able to directly interact with Aβ, precluding (or disfavouring) amyloid polymerisation. This finding has stimulated a lot of work in the direction of trying to understand the molecular mechanism by which BSB's are able to slow down or even prevent Aβ aggregation and fibrillation [5].
In this presentation we show how one can get a good understanding of the role that BSBs play in the aggregation process of Aβ peptides by means of coarse-grained molecular dynamics simulations based on the Martini force-field. Since the secondary structure switching is a crucial event for the successive aggregation process, we have extended the standard Martini approach to incorporate GO-Martini algorithm [6] that allows to properly model structural switches and study the secondary structure dynamical evolution of Aβ peptides in the presence of BSBs.
1. LC Serpell, BBA, 1502(1):16-30, 2000
2. E De Santis et al., JPCB, 119, 15813-15820, 2015
3. S Morante, GC Rossi, Advance Alz Res,2:100-147, 2014
4. F Stellato et al., Biophys Chem, 229, 110-114, 2017
5. V Minicozzi et al., JBC, 289, 11242-11252, 2014
6. AB Poma et al., J Chem Theory Comput, 13(3):1366-1374, 2017

Some multiphase flow problems: (i) Moderate Reynolds number flows at T-junctions and (ii) low-Reynolds-number diffusiophoretic flows

I will discuss two distinct multi-phase flow problems that we have worked on in recent years. First, I will illustrate dynamics of bubble and particle flows in bifurcating geometries when the Reynolds number is O(100-1000) and show an unexpected trapping phenomenon. Second I will describe our studies of chemically driven particle motions, which involves the subject of diffusiophoresis.

Advancing 3D Immunohistochemistry

To address the inefficiency of passive diffusion for antibody penetration in thick tissue samples, which limits clearing-technique applications, we developed a versatile and simple device to perform antibody incubation under increased barometric pressure. Pressurized immunohistochemistry (pIHC) greatly improves the uniformity, intensity, and depth of fluorescent immunostaining in thick human and mouse brain samples cleared with the CUBIC or PACT techniques. Furthermore, pIHC substantially decreased the time required for classic staining of thin sections.

The self-consistent multiscale simulation of complex fluids

We present a method that uses self-consistent simulation of coarse grained and fine-grained models, in order to analyse properties of physical systems. The method uses the coarse-grained model to obtain a first estimate of the quantity of interest, before computing a correction by analysing properties of the fine system. We plan to illustrate the method by applying it to the Asakura-Oosawa (AO) model of colloid-polymer mixtures. We show that the liquid-vapour critical point in that system is affected by three-body interactions which are neglected in the corresponding coarse-grained model. It is also presented the analyse the size of this effect and the nature of the three-body and higher interactions.

Transverse migration of polyelectrolytes in microfluidic channels: Concentrating and purifying DNA?

I will describe recent microfluidics experiments using DNA as a model polyelectrolyte. The DNA is introduced into the channel by a pressure driven flow, and simultaneously subjected to an axial electric field. Epifluorescent and confocal microscopy have been used to show that, under opposing fields, the DNA migrates to the walls of the microfluidic channel. An interesting consequence is that DNA then rapidly accumulates near the channel inlet, suggesting a possible means to both concentrate and purify DNA. Unlike a number of electrokinetic-based separations, the trapping of the DNA does not depend on complex flows orfields. Rather, it exploits (we think) a little studied aspect of polyelectrolytes; namely that an electric field can generate a long-range (1/r 3 ) flow around the molecule. When combined with symmetry breaking, induced (for example) by a shear flow, this leads to novel length-dependent motions of the polymer. In this talk I will summarize the results of our experiments, present the outline of a theory to describe the migration, and suggest possible biotechnology applications.
Tony Ladd, Mert Arca, Ryan Montes and Jason Butler, Unversity of Florida.

Badanie oddziaływań hydrodynamicznych kropel w wybranych układach mikroprzepływowych

Mikroprzepływy to wciąż nowa i szybko rozwijająca się dziedzina nauki, która może wpływać na obszary badań, od syntezy chemicznej i analizy biologicznej po optykę i technologię informacyjną. Mikroprzepływy dwu-fazowe to gałąź tej dziedziny, w której używamy dwóch niemieszających się płynów. Pierwsza ciecz jest używana do produkcji kropelek, druga ciecz służy natomiast do transportu tych kropelek przez skomplikowaną sieć kanałów. Celem badań jest poznanie mechanizmów rządzących ruchem kropel w złożonych strukturach mikroprzepływowych oraz opracowanie nowych struktur mikroprzepływowych, które umożliwiają skomplikowaną manipulację kropel wewnątrz układu mikroprzepływowego bez użycia elementów aktywnych takich jak zawory, cewki, elektrody itd. Prowadzone badania mają również potencjał aplikacyjny do zastosowań biomedycznych min. generowania kropel o dowolnych stężeniach np. antybiotyku lub do hodowli bakterii oraz komórek eukariotycznych.

Remarks: Seminarium w ramach przeglądu wyników doktorantów w 2018/2019

Quantitative methods for analysing cellular signalling

Mathematical methods of information theory appear to provide a useful language to describe how stimuli are encoded in activities of signaling effectors. Exploring the information-theoretic perspective, however, remains conceptually, experimentally and computationally challenging. Specifically, existing computational tools enable efficient analysis of relatively simple systems, usually with one input and output only. Moreover, their robust and readily applicable implementations are missing. During seminar, I will describe a novel algorithm, SLEMI - statistical learning based estimation of mutual information, to analyze signaling systems with high-dimensional outputs and a large number of input values.

Remarks: Seminarium w ramach przeglądu wyników doktorantów w 2018/2019

MULTIPLE PATHWAYS OF HELIX FOLDING FROM KINETIC COARSE GRAINED MODELS

Long-term molecular dynamics simulations and a coarse-grained kinetic analysis were carried out to describe the mechanism of formation of an alpha-helical structure. A 12 microsecond molecular dynamics simulation of a 21-residue helix-forming model peptide was generated in explicit solvent, yielding structural and dynamic properties in good agreement with available experimental data. Clustering and optimal dimensionality reduction were applied to produce low-dimensional coarse-grained models of the underlying kinetic network in terms of 2-5 metastable states. In accord with the generally accepted understanding of the multiple conformations and high entropy of the unfolded ensemble of states, the “coil” metastable set contains the largest number of structures. Interestingly, the helix metastable state was also found to be structurally heterogeneous, consisting of the completely helical form and several partly folded conformers which interconvert at a time scale faster that global folding. The intermediate states contain the fewest structures, have lowest populations and have the shortest lifetimes. As the number of considered metastable states increases, more intermediates and more folding paths appear in the coarse-grained models. One of these intermediates corresponds to the transition state for folding, which involves an “off-center” helical region over residues 11-16. The kinetic network model is consistent with a statistical picture of folding following a simple reaction coordinate counting the helical population of individual residues.

Synthesis and characterization of biocompatible, pH sensitive chitosan-PEG nanoparticles for drug delivery of curcumin used for breast cancer

As the mainstay in the treatment of various cancers, chemotherapy plays a vital role, but still faces many challenges, such as poor tumor selectivity and multidrug resistance. Targeted drug delivery using nanotechnology has provided new strategies which have minimum damage to healthy tissues and maximum release of the drug. Coupling a specific stimuli-triggered drug release mechanism with these delivery systems such as Nanocarriers is one of the most prevalent approaches for improving therapeutic outcomes. Among the various stimuli, pH triggered delivery is regarded as the most general strategy, targeting the acidic extracellular microenvironment and intracellular organelles of solid tumors.
The purpose of my master thesis was to synthesize nanoparticles based on biocompatible chitosan, for drug delivery of curcumin to tissues damaged by breast cancer using pH-triggered delivery. For this purpose, hydrophilicity of chitosan chains were first modified by adding carboxymethyl substitution. In the next step, folate groups were selected to increase tumor targeting in the body as well as enhancing the polymers ability in the process of self-assembly of the nanoparticles, and were grafted into the main chains. One of the characteristics of cancerous tissues is the acidity of pH, which can be used as a stimulant for targeted drug delivery. To create pH-sensitive acetal bonds on carboxymethyl chitosan folate chains, in the first step, amino groups of these chains were protected using phethalic anhydride and then methoxy-polyethylene glycol containing aldehyde groups at one end of their chains (mPEG-Aldehyde) were bonded to carboxymethyl-free hydroxyl groups, and at the final step the phethalic anhydride groups were de-attached using sodium hydrobutyrate (NaBH4). At each stage, the synthesis and structure of the obtained polymers were verified using the FT-IR and H-NMR tests. In the last step of this study, drug containing nanoparticles were made and these nanoparticles, were examined by DLS, SEM and then, using the UV-Vis, the amount of drug loaded in these nanocomposites was obtained and finally, drug release profile is obtained. The system was tested in two pH conditions (e.g. 7.4 and 4.8). The results of this test indicate an increase in the release rate of the drug in the acidic environment.

Pumping and swimming: two faces of phoretic flows

Janus particles with the ability to move phoretically in self-generated chemical concentration gradients are model systems for active matter. On the other hand, chemically active surfaces can lead to microscale flow generation, becoming an effective pumping mechanism in inertia-less small-scale flows. In this talk, after a broad review of the physics and biology of microswimmers, I will review briefly both phenomena relating to the same concept of phoretic flow generation. Asymmetry needed for the flow to be initiated can be induced by geometry or by chemical patterning. I will show examples of both ways and some applications in biomimetic systems of fully three-dimensional phoretic swimmers.

Electrospun nanofibers for haemorrhage arrest (SONATA) and intervertebral disc regeneration (LIDER)

During the seminar I will show preliminary results of Sonata project entitled Investigation of blood clotting mechanism in the contact with nanofibers. During the second part I will show research plans for the project entitled Injectable scaffolds for tissue engineering that was recently financed in the LIDER programme.

Understanding how the brain controls reproduction: the neural mechanisms behind the pulsatile secretion of reproductive hormones

Fertility critically depends on the gonadotropin-releasing hormone (GnRH) pulse generator, a neural construct comprised of hypothalamic neurons co-expressing three key neuropeptides: kisspeptin, neurokoinin-B and dynorphin. Using mathematical modeling and in-vivo optogenetics we investigate how this neural construct initiates and sustains the appropriate ultradian frequency essential for reproduction. Our model predicts how pulsatile dynamics emerge from non-linear positive and negative feedback interactions mediated through neurokinin-B and dynorphin signaling and stresses the crucial role of basal network activity in regulating pulsatile dynamics. We verify model predictions and show experimentally that robust pulsatile release of luteinizing hormone, a proxy for GnRH, emerges abruptly as we excite the neuronal network using continuous low frequency optogenetic stimulation. Further increase of optogenetic stimulation markedly increases pulse frequency and eventually leads to pulse termination. Our results shed light on the long-elusive GnRH pulse generator offering new horizons for reproductive health and wellbeing.

Propagation of Mechanical Stress Thorugh Multicellular Structures

Recent works provided evidence for a long-distance mechanosensing, demonstrating that cells within epithelial sheets are capable to adjust to local changes for example in substrates rigidity at the tissue scale level by altered cell-cell and cell-ECM signalling. We have proposed first quantitative approach to measure tissue stress within 3D cellular aggregates (Dolega et al, Nature Comm 2017). In our model, we study effects of controlled osmotic stress on spheroid growth and invasion. To understand how spheroids respond to such external compression, and how the exerted pressure is transferred from the outside to the inside of the spheroid, we incorporoate elastic Polyacrylamide (PAA) microbeads within intercellular volume to serve as internal sensors of compression. Spatial distribution of incorporated microbeads within CT26 cancerous spheroids allowed obtaining a pressure profile along the radius upon externally applied compressive stress. Our experiments revealed that upon compression the pressure is spatially not homogenous and has a direct impact on the biological response of cells.

Mathematical models of low grade gliomas and their response to chemotherapy

In this talk I present the results of my PhD thesis devoted to study of mathematical models describing the evolution and the response to treatments of low-grade gliomas. Low-grade gliomas are brain tumours usually growing slowly but causing death due to their progression to more malignant counterparts. We constructed macroscopic models of low-grade gliomas' growth in such a way that they were accurate enough to reflect available clinical observations and simple enough so that they could be analysed analytically. We studied the proposed models both analytically and numerically. We also showed that the solutions of the developed mathematical models fit well to the dynamics of low-grade gliomas of individual patients. On the basis of our validated models, we addressed some problems of clinical practice. Finally, we derived analytical estimates which could be potentially useful in assessing tumours aggressiveness and selecting the best therapies.

Spatio-temporal oncogenic signaling in a breast cancer epithelial community

We measure ERK/AKT dynamics in single MCF10A mammary epithelial cell. We observe that pulses of ERK/AKT activation in quiescent cells are propagated across epithelium during epithelial extrusion with a highly choreographed spatio-temporal dynamics. Spectral properties of pulses and pulse propagation are significantly altered by KRAS and PIK3CA mutations, as well as by drug interventions. We apply pulsed growth factor stimulations using microfluidic devices to dissect the coupling between MAPK/ERK and PIK3CA/AKT networks, and to understand factors that shape pulse dynamics.

Self-organized metal structures formed on polymer substrates

Self-organization of the structures is visible both in daily life and cutting edge research, where scientific teams are occupied by searching for parameters suitable for emergence of functional structures. These methods allow preparation of materials with properties, which would be hardly obtainable by classical methods and which allow simple scaling of the process, which predetermines them for simple proliferation and mass production. In this presentation I will focus mainly on formation of self-organized structures on the surfaces of two polymer substrates: poly-L-lactic acid and polyethersulfone.
On the samples of poly-L-lactic acid with thin metal layer permanent wrinkle-like structures are formed after heat treatment. Shape, size, conductivity and other properties of such structures are easily influenced by the change of type and thickness of sputtered metal. Comparison of acquired data with literature shows that inner stress in polymer foil plays critical role for formation of the wrinkle-like structure, without which permanent wrinkle-like structure does not emerge. This stress is also responsible for directionality of this structure. Furthermore effect of the type of the metal on the size of the wrinkle-like structure was examined. Applicability of prepared nanostructures was demonstrated on NIH 3T3 cells` cultivation, where significant improvement of the properties of the nanostructured samples in comparison to unmodified poly-L-lactic acid was observed and in some properties even surpassed tissue polystyrene.
Samples of the polyethersulfone with thin metal layer formed globular structures on the surface after heat treatment, which showed effects of the localized surface plasmon resonance visible in form of peak in the UV-Vis spectra. The explanation of emergence of these structures is coalescence of metal layer followed by formation of metal clusters separated by polymer substrate. These properties are applicable in sensor construction.

Characterisation of the heterogeneity of human type I IFNs

The value of flow mediated dilation in prediction of vascular disorders

There is growing interest in the application of non-invasive clinical tools allowing to assess the endothelial function, preceding atherosclerosis. A comparison of 7-12 MHz and 20 MHz scanners for flow mediated dilation (FMD) and shear rate (SR) measurements in radial artery is reported. The experiments in vitro using closely spaced food plastic foils proved over three times better resolution of the high frequency 20 MHz scanner (<0.1 mm) over the 7-12 MHz one. Also the sensitivity of the external single transducer 20 MHz pulse Doppler proved to be over 20 dB better (in terms of SNR) than the pulse Doppler incorporated into linear 7-12 MHz linear array. These results justified designing of a high-frequency scanning system consisting of a 20 MHz linear array transducer combined with 20 MHz pulsed Doppler probe to validate its usefulness in estimation of the degree of radial artery FMD and SR after 5 minutes of reactive hyperaemia.
In the pilot studies, 12 healthy volunteers (38–71 yr old) and 14 patients (36–77 yr old) with chronic coronary artery disease (CAD) were included. The diagnosis of chronic CAD was based on the presence of symptoms of stable angina or a positive myocardial ischemia stress test. The Imaging/Doppler system was modified by adding the single element 20 MHz pulse Doppler with a sample volume size being equal 0.3 mm axially and 0.8 mm laterally, to the linear array transducer, providing to high precision FMD and SR measurements. The normalization of FMD to shear rate is done by dividing the peak FMD by the accumulated value of shear rate area under the curve.
Statistically significant differences between the two groups were confirmed by a Wilcoxon-Mann-Whitney test for both FMD and FMD/SR (p-values < 0.01). AUCs of ROC curves for FMD and FMD/SR were greater than 0.9. The results confirm the usefulness of the proposed measurements of radial artery FMD and SR in differentiation of normal subjects from those with chronic coronary artery disease.

Smart nanomaterials: a new route towards novel environmental and biological applications

Nanostructured materials exhibit outstanding size/shape dependent properties that make them extremely promising in several application fields. Fundamental features that include (but are not limited to) their optical response, thermodynamic behaviour, plasmonic, magnetic and catalytic properties can be modulated by varying nanocrystal size and shape, without altering their chemical composition.1 Furthermore, synthesis routes as well as characterization techniques have rapidly evolved thus enabling to rationally design, synthesize process and organise nanomaterials. In this perspective, they can be regarded as building blocks that allow to achieve structures with compelling complexity; hence providing nanostructured materials properly addressable to target applications.2 The present contribution aims at sharing the experience, gained by the Bari Division of CNR-IPCF, on the development of synthetic strategies for preparation of colloidal nanocrystal based materials (metal, semiconductors and oxides), and tailoring their physical and chemical properties towards photocatalytic3, optoelectronic,4 environmental,5 (bio)sensing and biomedical applications.6 The ultimate goal is to organize the prepared nano-objects in mesoscopical structures to be integrated in advanced functional materials and devices.
1. Alivisatos, A. P., Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry 1996, 100 (31), 13226-13239.
2. Curri, M. L.; Comparelli, R.; Striccoli, M.; Agostiano, A., Emerging methods for fabricating functional structures by patterning and assembling engineered nanocrystals. Physical Chemistry Chemical Physics 2010, 12 (37), 11197-11207.
3. Petronella, F.; Truppi, A.; Ingrosso, C.; Placido, T.; Striccoli, M.; Curri, M. L.; Agostiano, A.; Comparelli, R., Nanocomposite materials for photocatalytic degradation of pollutants. Catalysis Today 2017, 281 (Part 1), 85-100.
4. Ingrosso, C.; Bianco, G. V.; Pifferi, V.; Guffanti, P.; Petronella, F.; Comparelli, R.; Agostiano, A.; Striccoli, M.; Palchetti, I.; Falciola, L.; Curri, M. L.; Bruno, G., Enhanced photoactivity and conductivity in transparent TiO2 nanocrystals/graphene hybrid anodes. Journal of Materials Chemistry A 2017, 5 (19).
5. Petronella, F.; Pagliarulo, A.; Striccoli, M.; Calia, A.; Lettieri, M.; Colangiuli, D.; Curri, M.; Comparelli, R., Colloidal Nanocrystalline Semiconductor Materials as Photocatalysts for Environmental Protection of Architectural Stone. Crystals 2017, 7 (1), 30.
6. Depalo, N.; Iacobazzi, R. M.; Valente, G.; Arduino, I.; Villa, S.; Canepa, F.; Laquintana, V.; Fanizza, E.; Striccoli, M.; Cutrignelli, A.; Lopedota, A.; Porcelli, L.; Azzariti, A.; Franco, M.; Curri, M. L.; Denora, N., Sorafenib delivery nanoplatform based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles magnetically targets hepatocellular carcinoma. Nano Research 2017, 10 (7), 2431-2448.

Mathematical analysis of a new model of bone pattern formation

The study of vertebrate limb development is an important example of organogenesis connected with limb bud growth and shaping as well as on its skeleton formation. This process has been modeled by many authors. We tried to explain some mathematical properties of a relatively new model of this phenomenon designed by T. Glimm et al. in a paper from 2014. The most widely used mathematical scenario of pattern formation in biology, among them the formation of chonrogenetic pattern, is the Turing bifurcation. In our publication from 2016, we use this method to study the bacterial patterns driven by chemotaxis and patterns on the sphere, which can correspond to some other biological phenomena.

Analysis of a model of avian limb formation

Mathematical analysis of a system of mixed parabolic-hyperbolic equations proposed in (Glimm, Newman, 2014). The model was designed to describe the process of bone formation pattern during chicken embryo morphogenesis. In our study, we propose some simplifications making the model more convenient to analyze, in particular reducing it to a standard system of reaction-diffusion equations.

Remarks: Seminarium w ramach przeglądu wyników doktorantów w 2017/2018

Systems Biology in Single Cells: A Tale of Two Viruses

In the noisy cellular environment, expression of genes has been shown to be stochastic across organisms ranging from prokaryotic to human cells. Stochastic expression manifests as cell-to-cell variability in the levels of RNAs/proteins, in spite of the fact that cells are genetically identical and are exposed to the same environment. Development of computationally tractable frameworks for modeling stochastic fluctuations in gene product levels is essential to understand how noise at the cellular level affects biological function and phenotype. I will introduce state-of-the-art computational tools for stochastic modeling, analysis and inferences of biomolecular circuits. Mathematical methods will be combined with experiments to study infection dynamics of two viral systems in single cells. First, I will show how stochastic expression of proteins results in intercellular lysis time and viral burst size variations in the bacterial virus, lambda phage. Next, I will describe our efforts in stochastic analysis of the Human Immunodeficiency Virus (HIV) genetic circuitry. Our results show that HIV encodes a noisy promoter and stochastic expression of key viral regulatory proteins can drive HIV into latency, a drug-resistant state of the virus.

Charged Particles Sedimenting Under Gravity In A Viscous Fluid

Remarks: Seminarium w ramach przeglądu wyników doktorantów w 2017/2018

Modular microfluidic geometries for passive manipulations on droplets