Wetenschappen

Doctoraten 2022

Woon een doctoraat bij of raadpleeg de voorbije verdedigingen

When electrocatalysis meets electron paramagnetic resonance - gaining insight into electrochemical reactions - Mohammad Samanipour (26/09/2022)

Mohammad Samanipour

  • 26/09/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.04
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Sabine Van Doorslaer & Hong Yue Vincent Ching
  • Departement Fysica


Abstract

The interest in environmentally friendly production of chemical products has increased in recent years. Electrocatalysis provides a clean and inexpensive method for chemical synthesis, which can play its role in green chemistry if it is employed at optimum conditions. Decreasing the energy cost is the crucial challenge in performing electrosynthesis in large-scale industrial productions. To this end, an in-depth understanding of what exactly happens during the reaction is necessary, and it requires the identification of the short-lived intermediates. These intermediates are formed due to electron transfer in the electrochemical process, so they often are paramagnetic species such as organic radicals and transition-metal complexes in their specific oxidation states. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is used to detect paramagnetic species. Using different EPR techniques, one can identify the molecular structures. The combination of electrochemistry and EPR (SEC-EPR) can help to detect the paramagnetic intermediates and unravel the reaction mechanisms, which eventually leads to overcoming the energy cost challenge. Despite its benefits and long history, the SEC-EPR field has not received a lot of attention due to its challenges. As mentioned above, the intermediates are often short-lived, so the conventional ex-situ SEC-EPR experiments are not practical in many cases. Hence, in many cases, in-situ experiments need to be performed to get real-time information from the reaction. Performing in-situ experiments are challenging due to the lack of commercial SEC-EPR cells. Other methods for stabilising the intermediates, such as spin trapping and freeze-quenching, can be combined with in-situ and ex-situ experiments. This thesis focuses on both in-situ and ex-situ experiments, introducing novel SEC-EPR cells and the challenges of designing them and investigating the electrochemical reactions. Spin-trap and direct EPR techniques are employed depending on the requirements for each case study. Moreover, the freeze-quenching of an SEC-EPR cell to trap intermediates is tested. DFT computations completed the EPR data in the identification of paramagnetic species.


Leaching of Dissolved Organic Carbon from a Scots pine forest under future rainfall regimes - Cristina Ariza Carricondo (23/09/2022)

Cristina Ariza Carricondo

  • 23/09/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Promotoren: Ivan Janssens, Caroline Vincke & Goedele Verreydt
  • Departement Biologie


Abstract

Future extreme climate events are expected to increase in frequency and intensity with more rainfall events in the wet winter and longer droughts during summer with occasional extreme precipitation events. Such altered climatic conditions will potentially affect the soil's biochemical properties and structure and could cause event-driven carbon exports through dissolved losses. The increased frequency and intensity of high rainfall events can be expected to alter the production and leaching of dissolved organic carbon (DOC), impacting on the C balance at the ecosystem level and potentially at regional and global scale.

In order to quantify DOC leaching, it is essential to accurately quantify the amount of water passing from the surface to deeper layers in the soil. The method applied in this thesis was based on a self-designed 3D printed Zero Tension Lysimeter (ZTL3D) validated with a Water Bucket Model (WBM). DOC concentrations from the leachate captured by the ZTLs3D, together with the water drainage estimations by the WBM, provided a reliable method to quantify DOC exports. Once this methodology was achieved, I focused on studying the concentrations and fluxes of DOC produced under specific rain simulation experiments in the field.

The first rain simulation experiment took advantage of the natural summer drought in 2019. The main finding of this simulation during summer showed the importance of the soil's hydrological state prior to a heavy rain event. The second rainfall simulation showed a clear effect of vegetation dormancy and revealed a clear relation between the amount of water added and the size of the DOC flux during both, autumn and winter.

It can be concluded that DOC leaching was clearly affected by the extreme rainfall events. Comparison with previous research conducted under long-term average conditions showed that extreme events would increase up to double the DOC average flux calculated previously for the site, meaning a total of up to 1.4 t (C) ha−1 year−1 export from the ecosystem, representing up to 20% of the net ecosystem production (NEP). Bigger DOC exports caused by extreme rainfall events might affect the ecosystem functioning. The findings from this doctoral thesis show the importance of accounting not only for DOC exports in the C balance but also the need to account for the potential DOC export under future extreme events.






Templicial objects: simplicial objects in a monoidal category - Arne Mertens (22/09/2022)

Arne Mertens


Abstract

Simpliciale verzamelingen zijn meetkundige objecten verkregen door simplexen (punten, lijnstukken, driehoeken, tetraëders, ...) aan elkaar te plakken. Deze zijn ontworpen om aan homotopietheorie te doen op een combinatorische manier. Ze zijn dan ook fundamenteel in de algebraïche topologie en hogere categorietheorie.

Vele wiskundige objecten met "homotopische" of "hogere" structuur (bv. topologische ruimten, 2-categorieën, dg-categorieën, ...) kunnen worden omgezet in een simpliciale verzameling door zogenaamde "nerfconstructies". Op deze manier kunnen de homotopische eigenschappen van deze objecten bestudeerd worden via hun geassocieerde simpliciale verzamelingen. The eenvoudigste van deze constucties is de gewone nerf van een categorie.

Als uitgangspunt van deze thesis beschouwen we de nerf van categorieën die met meer structuur zijn uitgerust, genaamd "verrijkte categorieën". De klassieke nerf blijkt niet meer te werken in dit geval. Om dit op te lossen introduceren we een veralgemening van simpliciale verzamelingen die we "templiciale objecten" noemen. Gebaseerd op een observatie van Leinster, worden deze gedefinieerd als zekere colax monoïdale functoren naar een vaste monoïdale categorie V. Men kan bijvoorbeeld V = Ab kiezen, de categorie van abelse groepen. In dit geval is de collecie van n-dimensionale simplexen met vaste eindpunten niet langer gewoon een verzameling, maar een abelse group.

Het grootste deel van de thesis focust op het construeren van templiciale varianten van klassieke nerf constructies, meer bepaald de gewone nerf, Cordiers homotopiecoherente nerf en Lurie's differentiaal gegradeerde nerf. Deze laatste variant heet de "lineaire dg-nerf" en associeert aan elke dg-categorie een templiciale abelse groep. Het blijkyt dat al deze nerven op natuurlijke wijze uitgerust zijn met extra data die we "Frobenius structuren" noemen. Deze hebben enkele aangename eigenschappen, vooral waneer V = Ab. In het bijzonder geeft de lineaire dg-nerf ons een equivalentie tussen niet-negatief gegradeerde dg-categorieën en templiciale abelse groepen met Frobenius structuren.

Ten slotte zijn "quasi-categorieën" speciale simpliciale verzamelingen. Ze zijn modellen voor hogere categorieën die werden ontwikkeld door Joyal, Lurie en anderen. Op dezelfde manier definiëren we "quasi-categorieën in V" als zekere templiciale objecten en alle nerven hierboven zijn hier voorbeelden van. Heel wat vragen over hun homotopische eigenschappen blijven nog onbeantwoord. In het laatste hoofdstuk van de thesis bespreken we enkele pistes om die te beantwoorden.

In mijn voordracht zal ik de belangrijkste ideeën en resultaten van de thesis bespreken. Er zullen ook katjes zijn.


Existential first-order definitions and quadratic forms - Nicolas Daans (21/09/2022)

Nicolas Daans

  • 21/09/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Karim Johannes Becher  & Philip Dittmann
  • Departement Wiskunde


Abstract

In 1970 toonden Davis, Putnam, Robinson en Matiyasevich, als antwoord op een beroemde vraag van David Hilbert, aan dat er nooit een algoritme kan zijn dat kan beslissen of een gegeven veelterm met gehele coëfficiënten al dan niet een nulpunt heeft dat uit gehele getallen bestaat. Anderzijds weten we (door het werk van Tarski rond 1950, en latere ontwikkelingen in de reële algebra) dat er algoritmen bestaan die kunnen beslissen of een polynoom een nulpunt heeft dat bestaat uit reële getallen. Waar precies de grens ligt tussen beslisbare en onbeslisbare problemen in de algebra, is een onderwerp van actueel onderzoek.

Existentiële eerste-orde definieerbaarheid van deelverzamelingen in ringen en lichamen vormt een cruciaal instrument om deze beslisbaarheidsproblemen te bestuderen. In dit proefschrift bestuderen we existentiële definieerbaarheid van deelverzamelingen van lichamen. Als K een lichaam is en n een natuurlijk getal, dan heet een deelverzameling van K^n existentieel definieerbaar als het de projectie is van een nulverzameling van een stelsel van veeltermen in K^(n+m) voor een natuurlijk getal m. Dit getal m wordt het aantal kwantoren genoemd. Het classificeren van welke deelverzamelingen van K^n (zelfs voor n=1) existentieel definieerbaar zijn, is in het algemeen een zeer uitdagend probleem. ​ 

We bekijken twee aspecten van existentieel definieerbare verzamelingen. In het eerste deel van het proefschrift maken we een kwantitatieve studie van existentieel definieerbare verzamelingen. Het kan bijvoorbeeld zijn dat een bepaalde verzameling naïef gezien existentieel definieerbaar is met 10 kwantoren, maar dat ze in feite zelfs existentieel definieerbaar is met 2 kwantoren als men een beter aangepaste constructie gebruikt. In dit proefschrift onderzoeken we noodzakelijke en voldoende voorwaarden voor een verzameling om existentieel definieerbaar te zijn met een gegeven aantal kwantoren. De hoop is dat dit soort kwantitatieve vragen ons inzicht kunnen verdiepen in welke verzamelingen überhaupt existentieel definieerbaar zijn over bepaalde lichamen.

In het tweede deel van het proefschrift bestuderen we hoe moderne technieken uit het onderzoeksgebied van de kwadratische vormentheorie gebruikt kunnen worden om existentiële definieerbaarheid van deelverzamelingen van lichamen aan te tonen, in het bijzonder van deelringen of hun complementen. We ontwikkelen een methodologisch kader waarin we in staat zijn om verschillende resultaten betreffende de definieerbaarheid van deelringen en hun complementen in lichamen (in het bijzonder getallenlichamen en functielichamen) terug te vinden en aanzienlijk uit te breiden. Essentiële ingrediënten uit de kwadratische vormentheorie die we aanhalen zijn o.a. lokaal-globaal principes en wederkerigheidswetten.


Surface modification of titania 3D structures for use as metal sorbents - Nick Gys (19/09/2022)

Nick Gys

  • 19/09/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q0.02
  • Promotoren: Vera Meynen, Steven Mullens & Bart Michielsen
  • Departement Chemie


Abstract

The recovery of Platinum-Group-Metals (PGMs) from secondary sources such as spent industrial catalysts is of increasing concern from both economic and environmental point of view. On industrial scale, PGMs are recycled by means of pyrometallurgical processes, followed by hydrometallurgical refining to acidic aqueous leachates. Given the low concentrations (ppm-ppb) of PGMs and complexity of these feed streams, selective adsorption is considered a promising recovery method.

Mesoporous SiO2 materials grafted with organosilanes containing N, S functional groups, are by far the best documented in literature. However, these materials require strict synthetic control to prevent the formation of a disordered organic layer, and under prolonged exposure to acidic conditions, leaching of the grafted groups becomes prominent. Ensuring a full monolayer coverage increases the stability, but reduces to some extent the tailoring of the surface properties. Grafting transition metal oxides with organophosphonic acids (PAs) has been reported as an interesting alternative, offering more stable bonds. Depending on the applied modification conditions, the grafting can be tuned towards different surface properties such as the surface coverage of functional groups, their bonding states and their distribution.

To adjust the surfaces to the application needs, the synthesis-properties-performance correlation needs to be understood. However, to date, in-depth insights into the synthesis-properties correlation are lacking for PAs containing hetero-groups. This know-how is crucial for a rationalized design of materials with clear insights into their applicability and which specific surface properties govern the performance. Therefore, the goal of this PhD is to unravel the synthesis-properties correlation on the grafting of mesoporous TiO2 powder with amino- and mercapto-alkylphosphonic acids, using a combination of experimental and computational approaches to strengthen our conclusions during in-depth surface characterization of these materials. Furthermore, palladium adsorption is envisioned as application domain to study the impact of the synthesis conditions and type of PA on the material’s performance.

In a second step, the knowledge transfer is made from powder to 3D-structured TiO2 materials. 3D shaping and the development of structured materials is a key step towards their successful implementation under industrial conditions. Recent advances in additive manufacturing has resulted in the formation of hierarchically 3D-structured materials with a high geometric flexibility and controllable meso-and macrostructures. As knowledge on the PA grafting of such materials is currently lacking, the impact of varying macroscopic properties of 3D printed titania structures on the extent of grafting throughout these materials is also studied in this PhD.


Evaluation of a strict priority scheduler, and cross-layer resource allocation - Jeremy Van den Eynde (09/09/2022)

Jeremy Van den Eynde

  • 09/09/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Chris Blondia & Marc Moonen
  • Departement Informatica


Abstract

This thesis covers two parts: (I) the analysis of the end-to-end delay and delay variation of a strict priority scheduler for a particular combination of traffic inputs, and (II) cross-layer allocation of resources in shared systems.

In part (I) we develop expressions for the end-to-end (E2E) delay and delay variation distributions, for the different classes of aggregate traffic that are served by a strict priority scheduler. This can help to dimension the network and ensure the QoS is not violated.

We characterize the busy period, taking low priority traffic into account, of all priorities in order to calculate the additional delay each traffic class encounters. In particular, we characterize the busy period of any aggregate of constant bit-rate sources. We use those distributions to obtain the E2E delay bound, taking the through-traffic and cross-traffic (CT) into account. Methods used in literature are usually limited to two priority classes or do not account for the through-traffic. We evaluate our approach using simulation of a network, and find that our expressions are able to upper bound the E2E delay and delay variation for all the considered traffic priorities.

In part (II) we look at cross-layer resource allocation, in which information is shared beyond the usual OSI layers, in order to increase performance. The research presented here applies a novel cross-layer scheduler, called the minimal delay violation (MDV) scheduler, that can be used when the achievable data rate of a user depends on the data rates the other users receive. We apply the MDV scheduler in a DSL context, where cross-talk between the copper cables of users reduces the maximum simultaneously achievable data rates, and long-term evolution (LTE) and 5G contexts where data rates can vary strongly from moment to moment. Through simulations, we show good performance of our scheduler, with respect to the delay and throughput.

We additionally implement and discuss an algorithm to constrain the service rates in these settings. Finally, one other cross-layer allocation algorithm is developed that can be used when service rates are assigned dynamically, but there is a large delay between requesting and receiving the data rate, such as for example in satellite communication networks.


Enabling Bidirectional Communication on Batteryless Devices For Sustainable IoT - Ashish Kumar Sultania (08/09/2022)

Ashish Kumar Sultania


Abstract

The Internet of Things (IoT) envisions billions of smart sensors and actuators to be connected to the Internet. These devices impose three main requirements on wireless networks: wide transmission range, low cost, and low power consumption. The last requirement is crucial for the devices to have long autonomy, thus reducing the need for device maintenance. Low-power networks, such as Low Power Wide Area Network (LPWAN) for long-range transmission and Wireless Personal Area Networks (WPAN) for short-range transmission, promise to fulfil the stated IoT requirements. The LPWAN Narrowband Internet of Things (NB-IoT) and WPAN Bluetooth Low Energy (BLE) radio technologies are popular and enable low-cost and low-power devices. Such communication technologies optimize energy consumption by introducing a sleep or deep sleep state, allowing the device to spend most of its time in a low-power state. This potentially enables IoT devices to operate for several years, powered by small coin cell batteries. Nevertheless, while the device is in this sleep state, it is unreachable and cannot immediately receive any downlink data. Thus, saving the battery life comes at the cost of downlink data latency. The uplink data communication is mostly controlled by the device and is therefore less impacted, as the device can wake-up when it needs to transmit data. Despite being energy-efficient technologies, most IoT devices still require frequent manual battery replacement. This increases operational costs and limits the feasibility to deploy in remote areas, and also affects the environment due to the harmful chemicals that the discarded batteries can leak into the soil. Therefore, the interest in energy harvesting from ambient sources and usage of a small capacitor to store the energy has been rising. A key challenge in ensuring sustainable energy harvesting is dealing with the time-varying energy supply and changing device power demand. The much smaller energy density of the capacitor and unpredictable availability of harvested energy result in intermittent on-off behaviour of the device. This means a batteryless device can turn on and off frequently, and that can further impact its data latency. This thesis studies the trade-off between energy consumption and communication latency for BLE Mesh and NB-IoT. Additionally, batteryless prototypes based on indoor light are also developed by leveraging the Bluetooth Mesh friendship and NB-IoT power saving features. The suitability of using Bluetooth Mesh and NB-IoT in the context of intermittently powered devices is also evaluated by analyzing their energy requirements in different radio states.




Efficient numerical approximation of solutions to high-dimensional partial differential equations - Jacob Snoeijer (30/08/2022)

Jacob Snoeijer

  • 30/08/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie:  Campus Middelheim, G.010
  • Promotoren: Karel in 't Hout & Wim Vanroose
  • Departement Wiskunde


Abstract

Veel geobserveerde fenomenen om ons heen kunnen beschreven worden in termen van wiskundige problemen of vergelijkingen. De rekencapaciteit om dergelijke problemen numeriek op te lossen is de laatste decennia sterk toegenomen, maar ook de wiskunde vergelijkingen die opgelost moeten worden zijn steeds ingewikkelder geworden.

Het doel van deze thesis is het onderzoeken en ontwikkelen van efficiënte numerieke methoden voor het benaderen van oplossingen van hoog-dimensionele partiële differentiaalvergelijkingen (PDVen). De benaderingstechnieken die beschouwd worden zijn gebaseerd op twee verschillende aanpakken.

Het eerste idee vervang een enkele hoog-dimensionale partiële differentiaaloperator door een lineaire combinatie van meerdere laag-dimensionale differentiaaloperatoren. Geïnspireerd door de hoofdcomponenten analyse (PCA) suggereren Reisinger en Wittum een transformatie van de covariantiematrix die aanwezig is in de meerdimensionale Black-Scholes vergelijking. In financiële toepassingen is de eigenwaarde behorende bij de eerste hoofdcomponent vaak dominant en die observatie wordt gebruikt in de eerste benaderingsaanpak. Het blijkt dat het negeren van alle overige hoofdcomponenten niet een goede benadering levert, maar toevoeging van eerste-orde correctie termen levert wel een goede PCA-gebaseerde benadering voor de Black-Scholes operator. Het belangrijkste voordeel van deze PCA-gebaseerde benaderingstechniek is dat een analytische benadering voor de oplossing van een Black-Scholes vergelijking is verkregen in termen van oplossingen van slechts één- en tweedimensionale PDVen. Deze PDVen zijn onafhankelijk van elkaar en kunnen daarom parallel opgelost worden.

De tweede aanpak beperkt de rang van de oplossing van een differentiaalvergelijking en leidt direct differentiaalvergelijkingen af voor de lage-rank componenten. Een numerieke representatie van de oplossing van een tweedimensionaal probleem kan gerepresenteerd worden middels een matrix. Van die matrix kan een singuliere waarden decompositie bepaald worden om de singuliere waarden met hun linker en rechter singuliere vectoren te verkrijgen. De oplossing van bepaalde Helmholtzvergelijkingen die voorkomen in verstrooiingsproblemen is van lage rang. Dus in plaats van het oplossen van een differentiaalvergelijking op een volledig rooster kan die differentiaalvergelijking geprojecteerd worden op een ruimte opgespannen door de andere factor matrices. Dit leidt tot een vergelijking voor de overgebleven lage-rang factor van de oplossing. De vergelijkingen voor deze lage-rang factoren kunnen gerelateerd worden aan vergelijkingen die ook voorkomen in een coupled channel techniek. Dit idee voor tweedimensionale problemen kan worden uitgebreid naar hogere dimensies waar een lage rang Tucker tensor representatie van de oplossing wordt verkregen.


Isotropy of algebras with involution - Fatma Kader Bingöl (06/07/2022)

Fatma Kader Bingöl


Abstract

In dit proefschrift zijn de hoofdobjecten van onze interesse centrale enkelvoudige algebra’s over een lichaam en involuties op die algebra’s. Onze focus ligt grotendeels op algebra’s van exponent 2.

In het eerste deel van het proefschrift beschouwen we het probleem om enkele numerieke invarianten van centrale enkelvoudige algebra’s, zoals de symboollengte, de index van de algebra en de graad van de 2-uitbreiding die de algebra splitst, van boven te begrenzen.

In het tweede deel van het proefschrift beschouwen we het probleem om te bepalen of een gegeven involutie op een centrale enkelvoudige algebra isotroop is. We bekijken de involuties als geadjungeerde involuties aan hermitische vormen. Daarom brengt de studie van isotropie van involuties het probleem van begrenzen van de hermitische u-invarianten met zich mee, wat we ook uitwerken.

Om deze problemen te bestuderen, profiteren we van de theorie van kwadratische vormen.


Proactive Mobility Management of Software Defined Wireless Networks - Ensar Zeljković (27/06/2022)

Ensar Zeljković

  • 27/06/2022
  • 09.30 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Steven Latré & Johann Marquez-Barja
  • Departement Informatica


Abstract

Wireless networks are a very complex and dynamic environment that requires proper management to optimise its performance. With a tremendous increase in the number of user devices and their data traffic, wireless networks are becoming denser. Therefore, optimising mobility management becomes a crucial challenge. In heterogeneous wireless networks, the usage of multiple wireless interfaces is inefficient and suboptimal. Solutions require modifications to the user device limiting the use cases. Reactive approaches are too slow to react and solutions often reside on the user side, which creates suboptimal perdevice optimisations. To tackle these challenges we use SDN. SDN monitors the network by collecting multiple metrics on the network side and creates a global overview of the network. This overview can be used in SON algorithms to proactively trigger global optimisations. We create and use different SDN frameworks for different wireless technologies and create SON algorithms on top to optimise mobility.

In heterogeneous wireless networks, we introduce ORCHESTRA, an SDN framework to manage different devices and do packetlevel dynamic and intelligent handovers, load balancing and replication. On top of ORCHESTRA we present a novel MIQP load-balancing optimization problem formulation for mobility management which can double the network-wide throughput across different scenarios.

To avoid user device modifications, we introduce the HuMOR framework for handover management in WiFi. On top of HuMOR we introduce ABRAHAM a handover algorithm that uses multiple metrics to predict the future state of the network and optimize the AP load. We show that ABRAHAM can achieve a 139% throughput improvement over the IEEE 802.11 handover algorithm.

To demonstrate that our WiFi solution is capable to address different wireless contexts, we use the same principles in mobile networks. On top of an OpenRAN compliant framework dRAX, we introduce MOLA_ADNA. This adaptive and QoS aware handover algorithm takes multiple metrics into account to do network level optimization of the cell load. We show that the mean throughput with MOLA-ADNA was higher by 25% compared to A3.

Finally, proper network element configuration is also crucial for network performance and mobility management. We, therefore, create the ALPACA algorithm on top of dRAX to optimise the PCI value of cells in mobile networks. ALPACA adapts to dynamic network topology changes and continuously optimizes the network. The results show that ALPACA can resolve all collisions and confusion for up to 1000 cells and minimize the effects of inevitable modulo PCI issues.

Photoactive Nanostructures: From Single Plasmonic Nanoparticles to Self-assembled Films - Rituraj Borah (21/06/2022)

Rituraj Borah

  • 21/06/2022
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.04
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Sammy Verbruggen & Silvia Lenaerts
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

Photoactive nanoparticles and their light-driven applications have gained tremendous scientific attention towards remediation of the global environmental problems, meeting alternative energy demands, and other new technological discoveries. The research work presented in this dissertation includes a fundamental investigation of such nanoparticles to gain deeper insights that will ultimately benefit their application. In particular, the study of plasmonic metal nanoparticles and metal oxide nanoparticles for light driven applications is the major theme of this work. The investigation begins with isolated plasmonic Au and Ag nanoparticles, followed by a natural extension to nanoparticle clusters, and then further to nanoparticle films. Next, the application of such plasmonic nanoparticle films for gaseous phase sensing of volatile organic compounds is explored. Finally, the film formation of metal-oxide nanoparticles by self-assembly is investigated for the fabrication of photoactive functional interfaces.

The fundamental theoretical investigation of the isolated plasmonic nanoparticles encompasses alloy and core-shell nanostructures of Au-Ag bimetallic compositions. First, the optical properties of bimetallic alloy and core-shell nanoparticles are compared for different structures such as nanospheres, nanotriangles and nanorods. Based on the optical properties, the photothermal properties of these nanostructures are also evaluated for relevant light-driven applications. Further, to bridge the gap between the theoretical and experimental optical properties of colloidal plasmonic nanoparticles, the effect of different statistical parameters pertaining to the particle size distribution is studied. Going from isolated nanoparticles to nanoparticle clusters, the changes in the optical properties of plasmonic nanoparticles when they form finite clusters is investigated. A strong effect of clustering on the absorption intensities of the nanoparticles and hence, on the photothermal properties is found. Next, for the study of plasmonic nanoparticle infinite arrays, Au and Ag nanoparticles films are experimentally obtained by the self-assembly at the air-ethylene glycol interface. Upon further validation of the computational models with the experimental optical properties of these films, the near-field and far-field optical response of the plasmonic nanoparticle arrays is investigated. An application of the self-assembled Au nanoparticle film is then demonstrated in the sensing of volatile organic compounds (VOCs). Finally, the focus is shifted from plasmonic nanoparticles to metal oxide nanoparticles for their self-assembly at the air-water interface to obtain self-assembled films. For this, the hydrophobic functionalization of four metal oxides nanoparticles namely, TiO2, ZnO, WO3 and CuO is investigated.

The insights from this work is useful for the design and fabrication of functional nanoparticles and interfaces for light driven applications.

Search for dark matter with the CMS detector at the Large Hadron Collider - Senne Van Putte (07/06/2022)

Senne Van Putte


Abstract

Het standaardmodel van de deeltjes fysica heeft enorme successen geboekt in de laatste decennia. Het is in staat om experimentele bevindingen te beschrijven met verbazingwekkende precisie en voorspelde nieuwe deeltjes zoals topquarks en Higgs bosons. Als fundamentele beschrijving van de natuur is het een van de meest geteste theorieën die ooit bestaan heeft. Ondanks deze overwinningen zijn er observaties die wijzen op het bestaan van fenomenen die niet behoren tot het standaardmodel. Zij vormen een groeiende collectie van aanwijzingen voor het bestaan van fysica buiten onze huidige kennis.

Een voorbeeld hiervan zijn de talrijke astronomische observaties die duiden op de aanwezigheid van onzichtbare zwaartekracht bronnen. Bewegingen van verre sterrenstelsels kunnen niet altijd verklaard worden met de zichtbare materie, en wijzen op de aanwezigheid van donkere materie. Of het op een andere manier kan interageren met normale materie, buiten de zwaartekracht, blijft een open vraag, al lijken kosmologische observaties te wijzen op een additionele interactie die niet veel sterker is dan de zwakke interactie. Er bestaan vele uitbreidingen op het standaardmodel die proberen een geschikte kandidaat te bieden voor de rol van donkere materie.

Hier wordt een model bestudeerd dat donkere materie introduceert samen met twee deeltjes die in staat zijn te interageren met zowel de verborgen sector als het standaardmodel. Andere deeltjes zijn doelbewust buiten beschouwing gelaten, om de relevantie van het beschouwde model te maximaliseren. Om te voldoen aan de kosmologische observaties introduceert het model een extra lokaal ijkveld U'(1) wat leidt tot een bijkomend Z'-boson. Ook wordt er een extra scalair veld toegevoegd dat deze U'(1) symmetrie spontaan breekt, en hierbij de massa van de deeltjes in de donkere sector genereert. Het resulterende additionele boson wordt het donkere Higgs boson genoemd.

Voorspellingen van het donkere Higgs model, waarin een donker Higgs boson vervalt in twee W-bosonen in het semi-leptonisch kanaal, worden vergeleken met data van de LHC, gecollecteerd met de CMS detector. Data werd verzameld in de tweede actieve periode van de LHC tussen 2016 en 2018 met een geïntegreerde luminositeit van 137/fb. In deze fase was de massa centrum energie van de botsende protonen 13 TeV.

Resultaten werden gecombineerd met de bevindingen uit de analyse van het vol-leptonische verval van de W-bosonen. Geen significante waarnemingen boven de voorspellingen van het standaardmodel werden geobserveerd. Grote delen van de parameterruimte van het donkere Higgs model werden uitgesloten.




Path integral treatment of systems with general memory: Application to the Bose polaron problem - Timour Ichmoukhamedov (03/06/2022)

Timour Ichmoukhamedov

  • 03/06/2022
  • 10.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, gebouw R, Aula R.2
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Jacques Tempere
  • Departement Fysica


Abstract

An impurity in a medium can become dressed by the excitations of the medium and form the polaron quasiparticle. This behavior is best known in the case of an electron moving through a crystal lattice, but has also been observed across various other physical systems. Recently, the Bose polaron where an atomic impurity is immersed into a Bose-Einstein condensate, has been experimentally observed. Spurring further extensive study of this system, the Bose polaron has attracted significant theoretical interest, as it exhibits a number of theoretical challenges that have previously not been encountered in other polaronic systems.

One of the seminal tools to study polaronic systems is Feynman’s variational path integral approach. In this formalism, the medium surrounding the impurity is integrated out such that the impurity is described through delayed interactions with itself at previous times. Hence, the polaron problem is closely related to the problem of capturing memory effects in the path integral approach. This thesis presents different extensions of treating general memory effects with path integrals to capture the challenging physics of the Bose polaron problem.

Three questions are investigated in detail. In the literature, the path integral approach has already been applied to the Bose polaron in the past, but more recently this application was shown to be insufficient to capture the subtle UV behavior of the system. In the first part of the thesis, we investigate which extensions to the method should be made to correct this shortcoming. Next, we discuss the inclusion of the so-called extended Fröhlich interactions that become important at strong coupling between the impurity and the medium. Finally, we explore how these methods can also be extended to describe many impurities in a Bose-Einstein condensate.




On the autumn phenology of Fagus sylvatica, Quercus robur, Betula pendula and Populus tremula: timing leaf senescence and fine-root growth - Bertold Mariën (02/06/2022)

Bertold Mariën

  • 02/06/2022
  • 14.30 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, gebouw R, aula R3
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Matteo Campioli
  • Departement Biologie


Abstract

Kennis over de fenologie van bladsenescentie en van fijne wortels is belangrijk om bosecosystemen en hun koppeling met het klimaat te begrijpen. Om onze kennis over de fenologie van loofbomen te verbeteren werd een paradigma voorgesteld: het LEAF-FALL paradigma. Dit paradigma stelt dat het begin van bladsenescentie niet rechtstreeks wordt beïnvloed door veranderingen in de fotoperiode en andere milieufactoren (bv. de temperatuur, de lichtintensiteit en spectrale kwaliteit), maar veeleer indirect door de invloed van milieufactoren op de boomgroei, met inbegrip van de fijne wortelgroei. Het stoppen van de houtgroei en de fotoperiode zouden dan de aanzet geven tot de start van bladsenescentie aan het eind van de zomer in zowel gunstige als ongunstige omstandigheden. Dit werk behandelt twee aspecten: (I) het timen van de bladsenescentie en (II) het bepalen van de fenologie van de fijne wortels doorheen het jaar om een mogelijke koppeling tussen de fenologie van de bladeren en fijne wortels te onderzoeken. Bovenstaande doelstellingen werden onderzocht door middel van observaties van de onder- en bovengrondse fenologie bij volwassen loofbomen in België, nl.: Fagus sylvatica L., Quercus robur L., Betula pendula Roth. en Populus tremula L. Bijkomende gegevens over de bladsenescentie van deze boomsoorten in Noorwegen en Spanje werden eveneens gebruikt. De bladsenescentie en de fijne wortelgroei zijn daarom vooral onderzocht via metingen van de chlorofylgehalte-index in bladeren en door waarnemingen van de fijne wortelgroei met behulp van een minirhizotron. Veel aandacht is daarom besteed aan het opsporen van fenologische sleutelmomenten in longitudinale gegevens van de chlorofylgehalte-index en van fijne wortels. Vooral het gebruik van generalized additive models (GAMs) en generalized additive models for location, scale and shape (GAMLSS) is onderzocht met betrekking tot het opsporen van fenologische sleutelmomenten. De resultaten tonen aan dat globale straling, temperatuur en dampdruktekort de timing van het begin van bladsenescentie hebben beïnvloed in alle soorten. Bij Fagus sylvatica, in tegenstelling tot Quercus robur en Betula pendula, was de timing van het begin van de bladsenescentie conservatief (i.e. zonder veel variatie). Bij geen van de soorten kon een significante trend tussen de jaren voor het begin van de bladsenescentie worden vastgesteld. De seizonale trend in de fijne wortelgroei was ook inconsistent tussen soorten en jaren. Soorten met dezelfde levensstrategie vertoonden wel vergelijkbare fenologische trends, en schattingen in de levensduur en omloopsnelheid van de fijne wortels. Onze resultaten over de twee onderzochte aspecten bieden geen directe ondersteuning voor het LEAF-FALL paradigma.

When does being smart pay off? Ecology and evolution of cognition in lacertid lizards - Gilles De Meester (31/05/2022)

Gilles De Meester

  • 31/05/2022
  • 18.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.06
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Raoul Van Damme & Panayiotis Pafilis
  • Departement Biologie


Abstract

De evolutie van cognitie is één van de meest enigmatische vraagstukken binnen de biologie. Specifiek blijft het onduidelijk welke ecologische condities de evolutie van cognitie beïnvloeden. Zowel de ruimtelijke complexiteit als de temporele variatie van de omgeving worden geacht sterke selectiedrukken te zijn op de evolutie van cognitie, maar bewijs hiervoor is schaars en gemixt. In deze thesis werd de rol van ecologie in cognitieve evolutie bestudeerd, door te kijken naar variatie tussen en binnen soorten lacertide hagedissen. Het eerste deel van mijn thesis onderzocht cognitieve variatie tussen soorten. Ik keek eerst naar de evolutie van relatieve hersengrootte in Squamata (hagedissen + slangen). In tegenstelling tot wat verwacht werd op basis van literatuur, was hersengrootte niet gerelateerd aan habitat complexiteit, en hadden sociale soorten relatief kleinere hersenen dan solitaire soorten. Vervolgens vergeleek ik vijf aspecten van cognitie tussen dertien soorten lacertide hagedissen. Hoewel deze soorten aanzienlijk verschilden in cognitieve vaardigheden, kon deze variatie in het algemeen niet worden gelinkt aan verschillen in hun ecologie en levensgeschiedenis. De enige uitzondering hierop was dat soorten uit meer seizoenale habitaten lagere gedragsflexibiliteit leken te vertonen. Het tweede deel van mijn doctoraat focuste op de link tussen omgeving en cognitieve variatie tussen populaties van de Egeïsche muurhagedis (Podarcis erhardii). Hagedissen afkomstig van een eiland met meer seizoenale variatie presteerden beter op een ruimtelijke leertaak dan soortgenoten van een meer stabiele locatie op het vasteland, maar vertoonden ook lagere cognitieve flexibiliteit. Hagedissen uit structureel complexe omgevingen scoorden tevens beter op een ruimtelijke leertaak dan soortgenoten uit simpele omgevingen. Covariantie tussen persoonlijkheid en cognitie in deze soorten was eveneens jaar- en habitatsafhankelijk. Tot slot onderzocht ik variatie op het individuele niveau. Ik testte specifiek of cognitie meer voordelig zou zijn in complexe omgevingen. Hagedissen met gekende cognitieve vaardigheden en persoonlijkheidskenmerken werden losgelaten in openlucht enclosures met of complexe of simpele vegetatie voor 11-12 maand om daarna hun fitness te bepalen. Ruimtelijk leervermogen en probleem-oplossend vermogen waren beiden gerelateerd aan individuele overlevingskans, doch op een onverwachte manier. Er was geen link tussen cognitie en reproductief succes. Ik vond evenmin bewijs voor habitatsafhankelijke selectie op cognitie. De link tussen ecologie en cognitie kan dus sterk afhangen van het cognitieve kenmerk en het taxonomisch niveau dat wordt bestudeerd. In conclusie toont mijn thesis hoe een geïntegreerde aanpak, waar bij zowel vergelijkend als op individueel niveau wordt gewerkt, kan leiden tot interessante nieuwe inzichten in de evolutie van cognitie.




Wetlands for dry land Role of bio-physical interactions in tidal marshes for nature-based shoreline protection - Ken Schoutens (30/05/2022)

Ken Schoutens

  • 30/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q002
  • Promotor: Stijn Temmerman
  • Departement Biologie


Abstract

Global climate changes impose multiple challenges, including the increasing risk of coastal flood hazards due to sea level rise and increasing impact of storm activity. Social and economic cost of flood hazards are huge since low elevated coastal zones often house densely populated and industrialized communities. Hence, there is a strong urge to implement sustainable climate adaptation strategies. In this context, nature-based shoreline protection approaches such as conservation or (re)creation of tidal marsh ecosystems provide multiple opportunities. Nevertheless, effective implementation of tidal marsh ecosystems as a complementary shoreline protection is hampered by the uncertainties about their effectiveness and reliability. This thesis elaborates on the role of species-specific plant traits, how they vary spatially and over time, how they interact with hydrodynamics and sediment dynamics and, how these feedbacks contribute to the shoreline protection capacity of tidal marshes. Field monitoring and field experiments were done along the brackish part of the Elbe estuary, Germany and flume experiments took place in the Large Wave Flume, Hannover, Germany and the Mesodrome tidal flume facility, Antwerp, Belgium. This thesis provides new insights in the role of species-specific plant traits within the mutual interactions between hydrodynamic forces, sediment dynamics and vegetation that are crucial in understanding the spatial-temporal shoreline protection efficiency of tidal marshes. We show that hydrodynamic forces from waves and currents form a not to be neglected additional stressor for plant growth and survival and we illustrate how these forces constrain suitable conditions for successful tidal marsh conservation, restoration and creation. Moreover, we argue how providing enough space to allow marsh expansion will increase the resilience and reliability of the nature-based shoreline protection function of tidal marsh in a changing climate.




Jacobi fields, conjugate points and nonlinear splittings in Finsler geometry and related fields - Sándor Hajdú (30/05/2022)

Sándor Hajdú

  • 30/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Tom Mestdag & Sonja Hohloch
  • Departement Wiskunde


Abstract

Fenomenen uit de fysica kunnen vaak worden geassocieerd met functies die continu in de tijd variëren en deze functies voldoen meestal aan een stelsel van differentiaalvergelijkingen. We bepaalde aspecten van stelsels van tweede-orde differentiaalvergelijkingen. We passen de resultaten toe op de context van de Finslermeetkunde en de Lagrangiaanse mechanica.

Net zoals bij geodeten van Riemannvariëteiten kan men toegevoegde punten definiëren voor stelsels van tweede-orde gewone differentiaalvergelijkingen (SODE's). In dit proefschrift geven we een methode om dergelijke toegevoegde punten te vinden en passen we onze resultaten toe op lokaal symmetrische SODE's en op Lagrangiaanse systemen met een symmetrie-Liegroep. Sprays zijn een specifiek type SODE's. Men noemt twee sprays projectief equivalent als ze dezelfde geodeten hebben, gezien als verzamelingen van punten. We benutten de vrijheid bij de keuze van een representant van een projectieve klasse van sprays in de zoektocht naar hun toegevoegde punten. In de context van de Finslermeetkunde gebruiken we de theorie van cut punten om een conclusie te trekken over het bestaan van toegevoegde punten voor een klasse van Finslermetrieken van het Randers-type.

Vervolgens onderzoeken we niet-lineaire splitsingen op vezelbundels. Deze kunnen worden gezien als veralgemeningen van Ehresmannconnecties. We onderzoeken zowel de overeenkomsten als de verschillen tussen niet-lineaire splitsingen en Ehresmannconnecties. We laten zien hoe bepaalde structuurbehoudende submersies zich verhouden tot niet-lineaire splitsingen. We definiëren ook een krommingsafbeelding voor niet-lineaire splitsingen en we laten zien hoe deze kan worden gebruikt om het submersief zijn van Lagrangiaanse systemen van het magnetische type te onderzoeken. Ten slotte passen we onze resultaten toe op de context van Finslermeetkunde en presenteren we nieuwe, interessante voorbeelden van Finslervariëteiten.




Individual variation in an ectoparasite-host system: life history, fitness and evolutionary potential - Gerardo Fracasso (24/05/2022)

Gerardo Fracasso

  • 24/05/2022
  • 16.30 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.03
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Erik Matthysen & Dieter Heylen
  • Departement Biologie


Abstract

Parasites and hosts are dynamic interactions exerting reciprocal selective pressures. Thus, host-parasite interactions are ideal systems for the study of ecological and coevolutionary processes. However, while the effects of parasites on hosts have been extensively investigated, host-induced parasite evolution and parasite life history have been neglected. In particular, knowledge on the amount of among- and within-individual variation between parasite traits is mostly unknown despite its fundamental importance to understand parasite performance and evolution. In this dissertation, I report four experimental studies investigating several aspects of parasite individual variation in a tick-songbird system, namely the bird-specialized tree-hole tick Ixodes arboricola and its main host, the great tit Parus major.

First, I investigated the behavioural preferences for tick attachment sites on the host body. Experiments were carried out using three tick species differing in ecology and host specificity both with and without grooming restrictions. The experimental findings as well as the literature evidence suggest that ticks prefer to attach to the host head and actively move to this area. I hypothesize that this pattern is consistent throughout ixodid ticks feeding on birds.

Second, I report how fundamental life-history traits affect individual tick success at every stage, and estimate their phenotypic and genetic correlation between and within stages as well as the trait evolutionary potential (using animal models) for feeding time, engorgement weight, moulting time, and number of hatched eggs. Additionally, I account for the effect on the abovementioned traits of tick sex, maternal effect, host identity, fasting time and batch. Results suggest differences in tick individual quality, for which engorgement weight seems to be a good proxy.

Third, I report a study investigating variation and heritability of host quality from the parasite perspective. Here, I measured to what extent hosts can affect tick performance and life history of larvae and nymphs both on- and off-host. I show that host individual characteristics significantly influenced larva and nymph attachment success. Additionally, hosts had an heritable effect on tick feeding time and, to a lower extent, on several other traits and success parameters.

Lastly, I investigated whether I. arboricola males prefer to mate with heavier engorged females in order to obtain a higher fitness. Surprisingly, male mate choice experiments carried out in two different setups showed a lack of preference for heavier females. However, males seem to remember and avoid the mating partners they previously met.




Search for production of hidden particles in proton-proton collisions with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) using displaced non-prompt lepton - Mohamed Rashad Darwish (24/05/2022)

Mohamed Rashad Darwish

  • 24/05/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, Z.223
  • Promotoren: Albert De Roeck & Nick Van Remortel
  • Departement Fysica


Abstract

Dit doctoraatsproject beschrijft een speurtocht naar een totaal nieuw mogelijk fundamenteel deeltje en gebruikt daarvoor de gegevens die geregistreerd werden met het CMS experiment bij de Large Hadron Collider (LHC), een proton-proton collider in CERN, Geneve, Zwitserland. De gegevens werden gedurende de zogenaamde Run-2 van de LHC in 2016, 2017 en 2018 geregistreerd met proton-proton botsingen bij een botsingsenergie van 13 Tera-electron volt. Het gezochte nieuwe deeltje is een zogenaamd zwaar neutraal lepton (Heavy Neutral Lepton; HNL) dat potentieel tot dezelfde familie behoort als het welgekende Standard Model neutrino deeltje. Samen met de gekende links-handige neutrinos die interageren met het zware W en Z boson, postuleert het νMSM model het bestaan van drie extra rechts-handige neu- trinos met relatief lage massa waarden, die en ge ̈etikeerd zijn als N1 –dat mogelijk een kandidaat is voor een light stabiel deeltje dat donkere materie kan verklaren–, N2 en N3, en deze twee laatste zouden metastabiele deeltjes zijn met, voor een onstabiel fundamenteel deeltje, een potentiele lange leeftijd. Het bestaan van deze deeltjes zou de symmetrie tussen links- en rechtshandige deeltjes kunnen herstellen in het Standard Model. Bovendien kan het νMSM model, als dat inderdaad gerealiseerd is in de natuur, buiten het bestaan van de donkere materie ook de materie-antimaterie asymmetrie die we waarnemen in het heelal, en de eveneens experimenteel geobserveerde zeer kleine, maar definitief verschillend van nul, massa waarden van de neutrinos te verklaren. De exacte waarden van de massas en interaktie koppelingen van deze nieuwe deeltjes zijn niet bekend, maar in een groot gedeelte van de theoretische parameter ruimte is het N1 deeltje veel lighter in massa dan een GeV, terwijl het N2 en N3 deeltje een massa waarde tussen een GeV tot tientallen GeV kan bedragen. Deze laatste deeltjes kunnen geproduceerd en geobserveerd worden bij de LHC.

Dit doctoraatswerk geeft eerst een theoretische inleiding tot het Standard Model en de uitbreiding daarvan naar het νMSM model, samen met een uitgebreide beschrijving van het CMS experiment en het versnellingscomplex van de LHC. De hoofd- focus van het proefwerk is de zoektocht naar HNL deeltjes met een lange leeftijd, voor neutrinos met zowel Dirac als Majorana eigenshappen, en geconcentreerd op verval-eindtoestanden die gekenmerkt zijn door de aanwezigheid van twee geladen leptonen (muonen of elektronen), jets en een expliciete observeerbare verval-vertex. Zulke deeltjes kunnen geproduceerd worden in proton-proton botsingen bij de LHC in vervallen van W en Z bosonen. Deze vervallen zijn een bron van Standard Model neutrinos bij de LHC en deze neutrinos kunnen door mixing in de experimenten tevoorschijn komen als HNLs. De leeftijd van deze deeltjes, alvorens ze vervallen, hangt af van de grootte van de mixing parameters van neutrinos met HNLs en van de massa van deze HNLs. Voor lage massa waarden en kleine mixing is de verval lengte groot genoeg opdat een detecteerbare verval-vertex kan worden gemeten.

Na een zoektocht in de CMS data waarbij verschillende nieuwe analyse methoden worden voorgesteld en toegepast, en die uitgevoerd worden op de data in een zo- genaamde blinde analyse, blijkt de data uiteindelijk geen signaal van HNL deeltjes te bevatten. De resultaten zijn volledig consistent met de verwachte hoeveelheid achtergrond botsingen. De resultaten worden daarom vervolgens voorgesteld als bovenlimieten voor de produktie werkzame doorsnede van deze potentieel nieuwe deeltjes. De limieten zijn de op dit moment beste resultaten in de zoektocht naar Zware Neutrale Leptonen.


Modelling three-dimensional nanoparticle transformations based on quantitative transmission electron microscopy - Ece Arslan Irmak (23/05/2022)

Ece Arslan Irmak

  • 23/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, T.103
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Sandra Van Aert & Sara Bals
  • Departement Fysica


Abstract

The structure-property relationship of nanoparticles is linked to the positions of the atoms and even small changes in the local structure of a given particle may significantly affect its performance for a specific application. However, when these particles are exposed to application-relevant conditions, such as elevated temperatures or intense light illumination, rapid structural transformations and changes in elemental distribution are observed. In order to gain control over the structure-dependent properties and performance of nanomaterials, an atomic-scale understanding of the ongoing transformations is of crucial importance. In situ transmission electron microscopy (TEM) experiments provide useful information to analyze nanoparticle changes down to the atomic scale during heating. Nonetheless, these investigations are often performed based on 2D TEM images which are usually inadequate to analyze the structure-property relation of nanomaterials because they only provide a projected image of a 3D structure.

This thesis is devoted to presenting robust approaches by joining the scanning TEM (STEM) imaging technique and theoretical calculations to capture 3D atomic-scale transformations of metallic NPs in response to changes in their environment. Within this framework, the research presented in this thesis is conducted twofold. The first part aims to present a refined method to investigate the 3D dynamics of metallic NPs lying on an oxide support based on 2D STEM images acquired during in situ experiments at high temperatures, which is of importance to understand their behavior during catalytic reactions. On the other hand, atomic-scale transformations cannot be captured by only experimental techniques when in situ STEM experiments do not provide the necessary time or spatial resolution or when the specific environmental trigger cannot be applied. Therefore, in the second part of this thesis, 3D experimental characterization techniques are combined with atomistic simulations to extract missing atomic-scale dynamics of NPs. In this manner, the complex atomistic rearrangements upon heating and intense light illumination that cannot be achievable by experimental observations are unraveled for Au-Pt bimetallic and mesoporous silica-coated Au nanoparticles, which are of interest for several plasmonic and catalytic applications.



Multidimensional exponential analysis: theory and applications - Ferre Knaepkens (20/05/2022)

Ferre Knaepkens

  • 20/05/2022
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, G.010
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Annie Cuyt & Wen-shin Lee
  • Departement Wiskunde


Abstract

Multidimensional exponential analysis, also known as sparse interpolation or harmonic analysis, is the central theme of the thesis. The overall aim is not only to provide valuable theoretical contributions, but also to bridge the gap between this theoretical foundation and the numerical implementation, to ultimately advance several relevant engineering applications. For this reason, this thesis is divided into four different parts.

The theoretical results are based on the further development of the connections between exponential analysis, Padé approximation theory and tensor decomposition. In particular the connection with Padé approximants is used to address the infamous ill-conditioning and sensitivity to noise of Prony-like methods.

These new theoretical findings are then applied to various challenging application domains. The logical starting point of this endeavour is a one-dimensional problem before moving on to the multidimensional setting. Hence, as starting point we tackled one-dimensional direction of arrival estimation. Subsequently, we explored some multidimensional applications. First, we consider two two-dimensional problems, namely antenna position estimation in the nearfield and the denoising of structured images. Finally, we explored inverse synthetic aperture radar, which is a three-dimensional application.

To conclude, we cover a few additional topics that are independent of the previous sections. First, we describe how lower-dimensional exponential models can be blended into a single model in a higher-dimensional space. Next, we examine the feasibility of using exponential analysis to solve problems in dimensions higher than three. Finally, we discuss our efforts to share new developments using the mathematical toolbox Sparsimatics.


Krylov subspace methods as key building blocks for numerical linear algebra and optimization - Jeffrey Cornelis (18/05/2022)

Jeffrey Cornelis

  • 18/05/2022
  • 15.15 uur
  • Locatie: Campus Middelheim, A.143
  • Promotoren: Wim Vanroose & Siegfried Cools
  • Departement Wiskunde


Abstract

Het oplossen van een lineair stelsel van vergelijkingen is ongetwijfeld één van de meest fundamentele taken in numerieke lineaire algebra en optimalisatie. Niet alleen zijn deze lineaire stelsels vaak belangrijk op zichzelf, zij komen ook vaak voor als deelproblemen wanneer we een complexer probleem trachten op te lossen. Veel toepassingen in wetenschap en industrie kunnen worden gemodelleerd met behulp van een ijle matrix, d.w.z. met slechts een beperkt aantal niet-nul elementen. Bovendien volstaat het in veel gevallen om een benaderende oplossing te berekenen van het lineaire stelsel. In plaats van de exacte oplossing te berekenen, verbeteren Krylov-deelruimte methoden op iteratieve wijze een benaderde oplossing tot aan een vooraf bepaalde tolerantie is voldaan. De voornaamste rekenkosten van deze methoden zijn de matrix-vector producten die bij elke iteratie berekend moeten worden. Het totaal aantal bewerkingen voor een matrix-vector product is relatief bescheiden voor ijle matrices, zelfs als het aantal onbekenden zeer groot is, waardoor Krylov-deelruimte methoden efficiënte oplossingsmethoden zijn voor ijle lineaire stelsels van vergelijkingen.

In het eerste deel van het proefschrift ontwikkelen we een herformulering van de Conjugate Gradient methode, één van de meest gebruikte Krylov-deelruime methoden, met verbeterde parallelle schaalbaarheid op grote distributed-memory computers vergeleken met de standaard implementatie. Het hoofdidee van onze aanpak is om de globale communicatiefase van de dot-productoperatie te overlappen met rekenwerk, wat kan worden bereikt door geschikte hulpvariabelen en recursie relaties te introduceren.

In het tweede deel van het proefschrift stellen we nieuwe technieken voor om (gegeneraliseerde) Krylov-deelruimten te benutten in gespecialiseerde optimalisatieroutines, met speciale aandacht voor slecht geconditioneerde inverse problemen. We ontwikkelen een nieuwe hybride regularisatiemethode die simultaan een geregulariseerd invers probleem oplost en de overeenkomstige regularisatieparameter vindt zodat aan het discrepantieprincipe wordt voldaan. We ontwikkelen ook een gemende-precisie techniek om een interior-point methode voor het oplossen van lineaire programmeringsproblemen te versnellen door gebruik te maken van een Cholesky factorisatie in enkele precisie als preconditioner voor de Conjugate Gradient methode geïmplementeerd in dubbele precisie.


Middle ear mechanics and eardrum material properties in mammals and lizards: an experimental and modeling approach - Pieter Livens (17/05/2022)

Pieter Livens

  • 17/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Groenenborger, US025
  • Promotor: Joris Dirckx
  • Departement Fysica


Abstract

In de eerste stap van het hoorproces vangt het trommelvlies geluidstrillingen op die door drie gehoorbeentjes worden doorgegeven aan het met vloeistof gevulde slakkenhuis. Het gecombineerde systeem van trommelvlies en gehoorbeentjes wordt de mechanica van het middenoor genoemd en fungeert als een akoestisch-mechanische transformator.

Computermodellering speelt een essentiële rol bij het begrijpen hoe het middenoor geluidsenergie transporteert naar het slakkenhuis. Bovendien stellen deze simulaties ons in staat de materiaaleigenschappen, zoals massaverdeling en stijfheid, van dit systeem te variëren om te onderzoeken welke eigenschappen een belangrijke rol spelen en bij welke frequenties. Dergelijke variaties zijn experimenteel moeilijk of onmogelijk te realiseren, zodat simulaties tot waardevolle inzichten leiden. Dergelijke modellen zijn echter afhankelijk van goed gedefinieerde invoerparameters om geldige resultaten te verkrijgen.

Als eerste werd het middenoor van de anolis hagedis (Anolis sagrei) onderzocht met behulp van eindige-elementen modellering. De computersimulaties toonden aan dat deze dieren intern gekoppelde middenoren gebruiken om geluiden te lokaliseren. Het bleek dat het simuleren van het effect van de vloeistoffen van het binnenoor de nauwkeurigheid van de simulaties verbeterde en dat het belangrijk is dit mee te nemen in toekomstige studies.

Vervolgens werd de verplaatsing van het trommelvlies van de gekko (Gekko gecko) gemeten wanneer langzaam variërende druk werd uitgeoefend. De grootste verplaatsingen tot op heden werden waargenomen, waaruit blijkt dat dit middenoor zeer elastisch is.

Vervolgens werd de stijfheid van het menselijk trommelvlies berekend met behulp van een nieuwe methode. Een menselijk trommelvlies werd aan het trillen gebracht onder verschillende geluidsfrequenties. Uit deze trilling-gegevens werden de verplaatsing en vervorming van het trommelvlies berekend. Vervolgens werd de zogenaamde virtuele-veldenmethode ontwikkeld voor deze dunne trillende membranen, wat leidde tot de identificatie van de stijfheid van het trommelvlies.

Wanneer de verplaatsingen groot worden, moet de virtuele-veldmethode worden uitgebreid met de theorie van eindige vervormingen. Deze nieuwe methode werd gevalideerd op rubberen membranen, maar moet in de toekomst zeker op trommelvliezen worden getest om ook in dit geval materiaalwaarden van het trommelvlies te achterhalen.

Tenslotte werd de aanwezigheid van zogenaamde voorspanning onderzocht. Wanneer het trommelvlies in rust is, kunnen de trekkrachten van het middenoor nog voor interne spanning op het trommelvlies zorgen. Door verschillende kleine incisies over het trommelvlies van het konijn te maken, werd aangetoond dat voorspanning zeker aanwezig was. In de toekomst moet worden onderzocht of dit effect ook bij het menselijk trommelvlies optreedt.

Beyond the Fröhlich Hamiltonian: Large polarons in anharmonic solids - Matthew Houtput (13/05/2022)

Matthew Houtput


Abstract

Een conductie-elektron in een vaste stof wordt meestal beschreven als een vrij, niet-interagerend elektron. In een polair kristal zijn de ionen echter geladen, waardoor het elektron kan interageren met de roostertrillingen (fononen). Het is de gewoonte om het elektron en de fononwolk samen te nemen tot een nieuw quasideeltje: het polaron. Een goed begrip van elektron-fonon koppeling is belangrijk in de vastestoffysica aangezien dit invloed heeft op allerlei materiaaleigenschappen, zoals de DC conductiviteit, optische absorptie, en thermische geleidbaarheid van het materiaal. Elektron-fonon koppeling zorgt ook voor paarvorming van elektronen, wat aanleiding geeft tot supergeleiding.

Eén van de oudste kwantummechanische modellen voor de beschrijving van polaronen is de Fröhlich Hamiltoniaan. Hoewel elektron-fonon koppeling tegenwoordig accurater kan beschreven worden met ab initio methodes, wordt de Fröhlich interactie nog steeds gebruikt vanwege zijn relatieve eenvoud. De Fröhlich Hamiltoniaan neemt aan dat de elektron-fonon interactie lineair is. Recent is echter duidelijk geworden dat ook hogere orde interactietermen belangrijk zijn in sommige materialen. In deze thesis breiden we Fröhlich theorie uit met de laagste orde anharmonische interactie: de 1-elektron-2-fonon interactie. Het centrale resultaat van de thesis is een analytische uitdrukking voor de interactiesterkte van een elektron dat interageert met twee longitudinaal optische fononen, in de continuümbenadering. Voor kubische materialen hangt deze interactiesterkte enkel af van één scalaire parameter, wat het onderzoek van deze Hamiltoniaan sterk vereenvoudigt.

In de rest van de thesis wordt deze Hamiltoniaan gebruikt om de eigenschappen van dit “anharmonische” polaron te onderzoeken. De bindingsenergie en de effectieve massa van het nieuwe polaron wordt berekend met de Greense functie methode en met het padintegraalformalisme. Er wordt met beide methodes aangetoond dat de extra elektron-fonon interactie leidt tot een significante verlaging van de energie, vergeleken met het Fröhlich polaron. Vervolgens wordt de optische conductiviteit van het anharmonische polarongas berekend. Uit de resultaten volgt dat het optische absorptiespectrum een karakteristieke tweede piek vertoont, die kan gebruikt worden als experimentele vingerafdruk om 1-elektron-2-fonon koppeling te meten. Tenslotte onderzoeken we de mogelijkheid van bipolaronvorming binnen dit nieuwe polaronmodel. Binnen het Fröhlich model zijn bipolaronen enkel stabiel boven een kritische waarde van de elektron-fonon koppelingsconstante. Wanneer 1-elektron-2-fonon koppeling wordt geïntroduceerd verlaagt deze kritische waarde, waardoor het gebied waar bipolaronvorming mogelijk is groter wordt.

Plasma kinetics modelling of nitrogen fixation - Ammonia synthesis in dielectric barrier discharges with catalysts - Kevin van 't Veer (10/05/2022)

Kevin van 't Veer

  • 10/05/2022
  • 14.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.01
  • Promotoren: Annemie Bogaerts & François Reniers
  • Departement Chemie


Abstract

De synthese van ammoniak (NH3) is cruciaal voor de productie van kunstmest en vindt plaats via het Haber-Bosch proces. Met een energieverbruik van 30 GJ/t-NH3 en de uitstoot van 2 kg-CO2/kg-NH3 is ammoniak de chemische stof met de grootste ecologische voetafdruk. Haber-Bosch werkt onder hoge druk en hoge temperatuur. Plasmatechnologie heeft potentieel voor groenere ammoniakproductie. Diëlektrische barrièreontladingen zijn een populaire plasmabron waarin gemakkelijk een katalysator kan worden gebruikt. De combinatie van plasma en katalysator kan de reactieomstandigheden van het Haber-Bosch proces omzeilen.

Plasmakinetiek modellering wordt gebruikt om inzicht te krijgen in de mechanismen van dergelijke plasma-katalytische systemen. Speciale aandacht wordt besteed aan het ogenblikkelijk vermogen dat door de elektronen wordt opgenomen, de relevante fractie van de microontladingen en de ontladingsvolumes.

Het belang van vibrationele excitatie werd onderzocht. Afhankelijk van de exacte ontladingscondities werd gevonden dat zowel de sterke microontladingen als de vibrationele excitatie tegelijkertijd van belang kunnen zijn voor de ammoniakopbrengst.

Het tijdsafhankelijke gedrag van de filamentaire ontladingen werd expliciet in rekening genomen. Ammoniak bleek tijdens de microontladingen afgebroken te worden als gevolg van dissociatie via elektronenimpact. Tegelijkertijd worden atomaire stikstof en andere geëxciteerde soorten gecreëerd. Die reactieve soorten recombineren buiten de microontladingen tot ammoniak via verschillende elementaire Eley-Rideal en Langmuir-Hinshelwood oppervlaktereacties met een netto ammoniakwinst.

Ten slotte werd het concept van de fractie van microontladingen veralgemeend. Het geeft direct de efficiëntie weer waarmee het aangelegde elektrische vermogen wordt overgebracht naar elk afzonderlijk deeltje in de plasmareactor. Er wordt gesteld dat elke vorm van ruimtelijke of tijdsafhankelijke niet-uniformiteit van het plasma een ongelijke behandeling van de gasmoleculen in de reactor zal veroorzaken, wat overeenkomt met een lagere efficiëntie waarmee het vermogen wordt overgedragen aan de gasmoleculen.

Al deze inzichten helpen bij een beter begrip van plasma-katalytische ammoniaksynthese als een potentiële groene oplossing voor de synthese van ammoniak op kleine schaal.


Purple bacteria cultivation on light, carbon dioxide and hydrogen gas: Exploring and tuning the potential for microbial food production - Janne Spanoghe (05/05/2022)

Janne Spanoghe

  • 05/05/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Gebouw Q, Promotiezaal Q0.02
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Siegfried Vlaeminck
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

The human population is projected to grow to 9.7 billion by 2050, resulting in an estimated increase in protein demand of 50%. From an environmental perspective, the current and future demand of protein cannot be sustainably met as the conventional food production chain is severely altering biogeochemical cycles of nitrogen and phosphorus, biodiversity and land-use, with flows towards the biosphere and oceans that are exceeding the planetary boundaries. Microbial protein (protein derived from microorganisms) has been suggested as an excellent sustainable protein source, a fortiori when produced in a land- and fossil free manner. The photoautohydrogenotrophic cultivation (i.e. with light, CO2 and H2) of purple bacteria links up perfectly with the upcoming green electrification of industry (green H2) and the need for carbon capture and utilization. However, this metabolism represented a gap in literature, and thus this thesis aimed to establish a basic knowledge platform on its kinetic, stoichiometric and nutritional performance. At first, three originally photoheterotrophically enriched purple bacteria were studied of which Rhodobacter capsulatus reached the highest protein productivity of 0.16 g protein/L/d, which aligned well with the commonly-known photoautotrophic microalgae. Moreover, a full dietary essential amino acid match was found for human food, while the fatty acid content was dominated by the health-stimulating vaccenic acid (82-86%). Lastly, the achieved protein yield in photoautohydrogenotrophic purple bacteria was 2.3 times higher compared to hydrogen oxidizing bacteria, indicating a resource-efficient use of H2. Next, a photoautohydrogenotrophic enrichment of wastewater treatment microbiomes was performed in search for specialist species. While the isolates of this enrichment showed improvements in their performance during acclimation, the kinetic and nutritional performance of Rhodobacter capsulatus still excelled. Subsequently, the influence of nutrient limitations (C or N) and nitrogen gas fixation was studied on the nutritional tuning potential. Both the limitations as well as the N2 fixation resulted in the shift of the essential amino acid profiles. Additionally, the limitations significantly decreased the pigment content, while an increase in the storage of poly-P was seen in case of carbon limitations. The next major challenge was the production intensification in a photobioreactor of which the design was linked to minimizing both H2 and light limitations. The chosen bubble-column photobioreactor already resulted in a doubled biomass productivity. Finally, the remaining technological and non-technological challenges ahead for the production of a high-value, cost-efficient, environment-friendly microbial protein that complies with legislative requirements and appeals to future consumers were discussed.



Indifferent hippies: prosociality and inequity aversion as proximate mechanisms of cooperation in bonobos - Jonas Verspeek (27/04/2022)

Jonas Verspeek


Abstract

Cooperation is a key component of social life but seems an evolutionary puzzle as it involves behaviours that benefit others. Because cooperative behaviours involve an immediate cost to the actor, natural selection has produced mechanisms to regulate cooperation to overcome adverse effects of these costs. The main proximate mechanisms that regulate cooperation are prosociality and inequity aversion (IA). In this thesis, I combined behavioural and physiological measures in different experimental paradigms to explain the variability in these proximate mechanisms of cooperation in bonobos (Pan paniscus). Before focusing on prosociality and IA in bonobos, I implemented three methodological studies. First, I investigated the food preference of the bonobos to decide which food items to use in the experimental paradigms. Second, I provided a biological validation for the use of salivary cortisol to measure stress and arousal in bonobos. Third, I investigated whether bonobos prefer to bond with more similar individuals. To study prosociality, I used a novel juice-provisioning experiment, the prosocial choice task and the group service paradigm and showed that the Zoo Planckendael bonobos mainly behaved out of self-interest and, like chimpanzees, behaved indifferently to the welfare of others. This contrasts with the popular image of the prosocial and food sharing bonobo, who is often portrayed as a “hippie of the primate world”. I concluded that this popular image is mainly the result of an age bias in previous experimental studies that looked for evidence of prosociality in bonobos. To study IA in bonobos, I used the standard token exchange task. To complement the standard behavioural measures with the emotional component of IA, I also investigated a behavioural, rough self-scratching, and a physiological measure, salivary cortisol increase, of arousal. The bonobos reacted to receiving less than a partner while they never refused trials when receiving more than a partner. Also, stronger bonded individuals were more tolerant towards inequity. Further, subjects were more aroused when receiving a better reward than a partner, suggesting that bonobos do notice when being favoured but do not respond to it behaviourally. The results of this thesis provide supporting evidence for the nuanced view of the prosocial, food-sharing and tolerant hippie ape. I demonstrated that adult bonobos do not behave prosocially in food-related paradigms, which can be explained by the competitive nature around the highly preferred food items, and which corresponds to the food-related behaviour of bonobos in the wild.




Singlet Oxygen-based Photoelectrochemical Detection of Phenolic Contaminants - Liselotte Neven (30/03/2022)

Liselotte Neven

  • 30/03/2022
  • 10.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, O.01
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Karolien De Wael & Sabine Van Doorslaer
  • Departement Chemie


Abstract

Phenolic compounds can be found everywhere in our daily lives but exhibit high toxicity, low (bio)degradability and hormone-disrupting effects when they are released in the environment. It is for this reason imperative to develop detection strategies for these pollutants. A promising approach involves the use of a photoelectrochemical (PEC) sensor. In this sensor, a photosensitiser (PS) type II, which generates 1O2 under illumination, is used to oxidise phenolic compounds present in the sample. The oxidised phenols are reduced at the electrode surface leading to the generation of an electrocatalytic redox cycle.

In this thesis, an in-depth understanding, through the identification of the reactive oxygen species (ROS) in the PEC sensing mechanism, is obtained. The detection strategy is optimised by choosing the PS with the highest 1O2 production and by optimising the detection parameters so that the PEC sensor can be successfully applied for the detection of phenols in industrial samples.

First, it was determined that the use of highly fluorinated zinc phthalocyanine derivatives, F52PcZn and F64PcZn, as photocatalysts was optimal for the sensing of phenol due to their high 1O2 production and improved single-site isolation. However, next to 1O2, it was shown that the ROS O2•- and H2O2 were also generated in the PEC sensor. Their contribution to the photocurrent response was studied by rotating disk electrode measurements in function of the pH and applied potential. After this, the PEC detection strategy was optimised in terms of pH and applied potential for the detection of doxycycline, cefadroxil, and phenol. It was found that the use of alkaline pH-levels led to nmol L-1-level detection limits. The combination with square wave voltammetry (SWV) was, also, proposed to allow the quantification and identification of phenolic compounds in a specific sample. At last, the developed PEC and SWV sensors were applied for the measurement of phenolic compounds in industrial water samples. The PEC sensor could follow the decrease of the phenolic concentration throughout the wastewater treatment process while the SWV sensor provided the electrochemical fingerprints of these samples. The thesis concluded that the use of the PEC sensor was advantageous in the measurement of lower concentrated phenolic samples due to its high sensitivity and fast measurement time in comparison to commercial test kits.

Resource-efficient nitrogen removal from sewage: kinetic, physical and chemical tools for mainstream partial nitritation/anammox - Michiel Van Tendeloo (28/03/2022)

Michiel Van Tendeloo

  • 28/03/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Stadscampus, Promotiezaal Klooster van de Grauwzusters, gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotor: Siegfried Vlaeminck
  • Departement Bio-ingenieurswetenschappen


Abstract

Adequate removal of pollutants from sewage is important to protect the environment and public health. Today, sewage treatment plants are operational in many parts of the world, and although the used technologies are effective in removing pollutants from wastewater, they are energy- and resource-intensive. Reshaping sewage treatment into a two-stage system, with separated organic carbon and nitrogen removal, facilitates the transformation towards energy-positive sewage treatment. This thesis will focus on resource-efficient nitrogen removal from sewage via partial nitritation/anammox (PN/A), with reduced organic carbon and oxygen consumption compared to conventional techniques.

PN/A relies on the teamwork between two microbial groups to convert ammonium into nitrogen gas. Several other groups of microbes however can proliferate in the sludge, competing for substrate with the key players, lowering the nitrogen removal efficiency and increasing the energy demand. To obtain the desired microbial community, control tools should be applied to selectively promote the desired microbes while suppressing the unwanted competitors. In this thesis, multiple control tools were studied to establish a workable framework for successful implementation of PN/A in the main stream of a sewage treatment plant. These tools can be divided into three categories: i) kinetic tools, regulating substrate availability (e.g., oxygen availability control and residual ammonium concentration), ii) physical tools, revolving around sludge retention and selection (e.g., sludge age control and sludge aggregation form), and iii) chemical tools, exposing the sludge to stress conditions for which the unwanted microbes are vulnerable (e.g., sludge treatments with a single stressor such as free ammonia).

The first research chapter focussed on oxygen availability control and single-stressor sludge treatments. The following two chapters covered the development of a novel multi-stressor concept combining substrate starvation and exposure to sulphide and free ammonia. In the final research chapter, the previously obtained knowledge was combined into a demonstration study on pilot-scale.

The combination of these control tools was found effective in achieving nitrogen removal via PN/A, both on lab- and pilot-scale. Consequently, the obtained results in this thesis can catalyse the implementation of mainstream PN/A by providing a toolbox with multiple control tools and clever reactor design, thus advancing the concept of energy neutrality and resource efficiency in sewage treatment plants.

Copper-based Critical Raw Material-free Three-way catalysts - Tim Van Everbroeck (28/03/2022)

Tim Van Everbroeck


Abstract

Één van de grootste problemen van auto’s met een benzinemotor is dat de uitlaatgassen verontreinigende stoffen bevat die schadelijk zijn voor de gezondheid van mensen en voor het milieu. Om deze reden zijn auto’s uitgerust met een driewegkatalysator die de functie heeft om koolstofmonoxide, koolwaterstoffen en stikstofoxiden om te zetten naar moleculen die niet ongezond zijn. De materialen die hiervoor gebruikt worden zijn de platinagroep metalen (PGMs), die zeer zeldzame, dure, kritieke grondstoffen zijn. De toenemende vraag naar nieuwe auto’s en de steeds strikter wordende emissie standaarden drijven de prijs steeds hoger. Dus er is nood aan een vermindering van de hoeveelheid PGMs in driewegkatalysatoren en de vervanging door grondstoffen die goedkoper en veel voorkomend zijn. Een goede kandidaat daarvoor is koperoxide (CuO) omdat dit veel voorkomend is en enige katalytische activiteit vertoont. Terwijl het niet zo actief is als de PGMs kan het gebruikt worden in veel grotere hoeveelheden ter compensatie. Om de CuO deeltjes klein te houden, wat efficiënter is, moeten ze worden afgezet op een dragermateriaal met een grote oppervlakte. Verder kan de katalytische activiteit beïnvloed worden door interacties met andere materialen. Voor deze thesis werd CuO afgezet op verschillende dragermaterialen zoals alumina, titania en ceria. De katalytische prestaties worden afgetoetst tegenover de eigenschappen van het materiaal. Een ander deel van het research spitst zich toe op de precipitatie van koper met andere elementen om op deze manier intieme mengsels van metaaloxiden te bekomen. Op het einde van de thesis worden de conclusies gepresenteerd en worden de ontwikkelde materialen vergeleken met de commerciële driewegkatalysator. Verder worden de beperkingen van dit onderzoek en de vooruitzichten voor de auto-industrie bediscussieerd en hoe de ontwikkelde materialen daar een rol in kunnen spelen.

Enhancing quality of service delivery with software-defined network slicing in IEEE 802.11 networks - Pedro Heleno Isolani (25/03/2022)

Pedro Heleno Isolani

  • 25/03/2022
  • 15.00 uur
  • Locatie: Stadscampus, Promotiezaal Klooster van de Grauwzusters, Gebouw S, Lange Sint-Annastraat 7, 2000 Antwerpen
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Steven Latré, Johann M. Marquez-Barja & Lisandro Z. Granville
  • Departement Informatica


Abstract

Over the years, wireless technologies have enabled innovation in the industry and leveraged social and economic changes. With the so-called Industry 4.0, future digital industries are moving towards the distributed organization of production, with connected goods, low energy processes, collaborative robots, and integrated manufacturing and logistics. 5G is expected to guarantee stringent Quality of Service (QoS) delivery and for that to happen, the proper employment of wireless Medium Access Control (MAC) protocols is essential for efficient and reliable wireless communication. In indoor scenarios, given its low cost and easy deployment, IEEE 802.11 networks are still the default access choice. Among such stringent and heterogeneous requirements, network slicing is envisioned as the architecture to carve out multiple virtual networks with significantly different performance, security, and traffic isolation characteristics from a common physical infrastructure. However, deciding how to efficiently allocate, control, and manage users and slices remains challenging. Besides, although Software-Defined Networking (SDN) has enabled new levels of innovation and automation for the creation of Resource Allocation (RA) mechanisms, latency-related metrics are often neglected. In this thesis, we analyze the evolution and programmability of wireless MAC protocols and present the questions that should be answered to determine the MAC programmability needed. With our lessons learned, we identify the challenges and opportunities for future-proof MAC designs. Next, we propose an airtime-based slice orchestration approach and RA modeling for IEEE 802.11 Radio Access Network (RAN). By orchestrating airtime portions at the IEEE 802.11 upper MAC layer, we show how our network slicing algorithm can enhance the QoS at the RAN. We present our airtime-based RA modeling for network slicing in IEEE 802.11 RAN and the limitations of performing such optimizations at runtime. To support 5G Mission-Critical Applications (MCAs), we propose a delay-aware approach for MAC management via airtime-based network slicing and traffic shaping, as well as user association using Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA). Through experimentation in a real-world testbed, our approach maintains the queueing delay requirements of 5ms under varying traffic demands and for most of the experiments run. Last, we provide a complete Software-Defined-RAN interactive management approach using In-band Network Telemetry (INT) in IEEE 802.11 networks. With INT, the end-to-end flow dynamics, state of the wireless links, and per-hop reliability can be fully assessed.

Biological Data Mining: from Interestingness Measure to Deep Learning - Danh Bui-Thi (17/03/2022)

Danh Bui-Thi


Abstract

Biological data mining has been an active research area in bioinformatics in recent years. It is expected to unlock a new stage of biomedical research by discovering knowledge from the huge amount of available biological data using computational methods. This knowledge will generate novel insights into the mechanisms of biological systems. Furthermore, it will support the design of new drugs and development of improved solutions for informed clinical decision making.

In this dissertation, we present machine learning techniques for mining interesting patterns and useful knowledge from biological data for several case studies. More specifically, the dissertation elaborates on the following three problems: mining unexpected patterns from transaction data, building associative classifiers based on association rule mining and identifying compound-protein interactions using deep neural networks. The first problem focuses on finding unexpected patterns from data. These patterns identify a failing in prior knowledge or may suggest an aspect of data that deserves further investigation. We propose a novel approach based on association rule mining along with a clustering algorithm to discover the unexpected patterns. The second problem concerns mining reliable patterns, constructing an interpretable classification model which can be understood. Interpretability of machine learning models is critical in several domains with significant social or financial impact such as healthcare, disease diagnosis. The proposed classification model is a rule list, making a single prediction based on multiple rules. We built the model using association rule mining and multi-objective optimization. The last problem we investigated concerns the problem of compound-protein interaction prediction. Identifying interactions between compounds and proteins is an essential task in drug discovery and development. Such prediction tools can be used to screen compound libraries for given protein targets to achieve desired effects or in testing given compounds against possible off-target proteins to avoid undesired effects. To tackle the problem, we developed a novel approach combining a graph convolutional network and a one-dimensional convolutional neural network. These neural networks encode the data objects, i.e. the compounds or proteins, into intermediate representations which are then used to predict the interaction. We also applied an explanation technique to visualize the contributions of the protein regions on the prediction outcome.

We conclude with an overview of our main contributions as well as a discussion of potential future actions that can be taken to improve our proposed methods.

Hyperbolic singularities in the presence of S1−actions and Hamiltonian PDEs - Yannick Gullentops (16/03/2022)

Yannick Gullentops


Abstract

Hamiltonian systems are dynamical systems which have at least one conservation law. These systems are of particular interest because they allow us to use geometric tools to obtain dynamical results. This thesis focuses on two distinct types of Hamiltonian systems: proper S1−systems and Hamiltonian PDEs.

Proper S1−systems are Hamiltonian systems on four dimensional manifolds, where we have two conservation laws one of which is a proper map inducing an S1−action. The presence of the S1−action allows us to link the minimal period (dynamical feature) of that S1−action to the local shape of hyperbolic fibers (topological feature). This allows us to establish a one-to-one correspondence between the topology of hyperbolic fibers and a graph theoretical construction, called a generalized bouquet. After the theoretical classification of hyperbolic fibers we focus on explicit examples. We study the bifurcation behaviour of a family of proper S1−systems and discuss what happens locally around hyperbolic fibers.

For the investigation of Hamiltonian PDEs, we start with a ‘triholomorphic’ Dirac-type equation, called the Cauchy-Riemann-Fueter equation, on a so-called hyperkähler manifold that can be transformed into a Hamiltonian PDE. Then, we discuss scale manifolds as preferred underlying function space for the study this equation. Finally, we describe the problems concerning convergence behaviour.

The relevance of environmental quality standards for biota in the evaluation of the ecological quality of aquatic ecosystems - Lies Teunen (15/03/2022)

Lies Teunen

  • 15/03/2022
  • 16.00 uur
  • Locatie: Campus Drie Eiken, Q.002
  • ​​Verplichte registratie via deze link
  • Online Doctoraatsverdediging
  • Promotoren: Lieven Bervoets & Ronny Blust
  • Departement Biologie
  • Het dragen van een mondmasker is verplicht tijdens de verdediging
  • U moet een geldig Covid Safe Ticket en identiteitsbewijs kunnen voorleggen om de verdediging te kunnen bijwonen


Abstract

Chemische verontreiniging in het aquatisch milieu, voornamelijk van antropogene oorsprong, is een globaal probleem. Een specifieke groep van persistente polluenten met uitgesproken hydrofobe/lipofiele kenmerken heeft de neiging tot biomagnificatie (d.w.z. het bereiken van hoge concentraties in hogere trofische niveaus) en een lage detectiegraad in watermonsters. Daarom zijn binnen de kaderrichtlijn Water milieukwaliteitsnormen afgeleid voor 11 prioritaire verbindingen en hun derivaten. Deze moeten specifiek in biota worden gemeten (MKNbiota), om het risico van secundaire vergiftiging van toppredatoren (waaronder de mens) te beoordelen, en omvatten hexachloorbenzeen (HCB), hexachloorbutadieen (HCBD), kwik (Hg), gebromineerde difenylethers (PBDE), perfluoroctaansulfonaat (PFOS), hexabroomcyclododecaan (HBCD), dicofol, dioxinen en dioxineachtige verbindingen, heptachloor en heptachloorepoxide, fluorantheen en benzo(a)pyreen.

In dit doctoraat werd de relevantie van de huidige MKNbiota met betrekking tot de ecologische kwaliteit van aquatische zoetwater- en brakke ecosystemen geëvalueerd. De studie werd opgebouwd rond de MKNbiota-monitoring in Vlaanderen op 44 bemonsteringslocaties. Bovengenoemde verbindingen en PCB's werden geanalyseerd in inheemse Europese baars (Perca fluviatilis) en paling (Anguilla anguilla) in zijn juveniele "gele paling"-stadium. Benzo(a)pyreen en fluorantheen werden echter geanalyseerd in blootgestelde mosselen vanwege de snelle metabolisatie van deze stoffen in vis. De geaccumuleerde concentraties werden getoetst aan de geldende normen en vergeleken met de gegevens van passieve samplers. De belangrijkste motivatie voor dit doctoraat was dat, ondanks frequente overschrijdingen van sommige MKNbiota (vaak met een grote factor), in de literatuur geen duidelijke effecten op het aquatische ecosysteem (inclusief secundaire vergiftiging) worden gerapporteerd.

Vervolgens werden twee casestudies uitgevoerd over accumulatiepatronen van Hg en PFAS. In tegenstelling tot de andere (lipofiele) verbindingen vertonen zij een hoge affiniteit voor eiwitten. Voor Hg werd de accumulatie in spier- en leverweefsel vergeleken tussen de twee vissoorten en gekoppeld aan de grootte (als proxy voor leeftijd). PFAS-profielen werden vergeleken tussen mosselen en vissen, waardoor trofische transfer bekeken kon worden. Bovendien werden de effecten van omgevingsconcentraties (in water en sediment) en abiotische kenmerken op de biogeaccumuleerde concentraties onderzocht. Tenslotte werd de ecologische relevantie van de MKNbiota voor de ecologische kwaliteit, gebaseerd op de macro-invertebratengemeenschap, bestudeerd. Het risico voor de menselijke gezondheid werd eveneens voor alle verbindingen bepaald.

Tenslotte werden resultaten de resultaten voor normoverschrijding, het humane gezondheidsrisico en de ecologische relevantie gecombineerd om de algemene relevantie en het beschermingsniveau van de huidige milieunormen te interpreteren. Deze resultaten vormen een eerste belangrijke indicatie voor de noodzaak om de normen voor specifieke verbindingen te herzien.


Applying Machine Learning in Business Process Monitoring - Stephen Pauwels (25/02/2022)

Stephen Pauwels


Abstract

In our highly automated world, where manufacturing processes are often performed by autonomous robots, the need for describing and checking these ongoing processes is high. The field of Business Process Monitoring tries to monitor running executions of tasks and tries to indicate possible bottlenecks or errors. In this thesis, we look at predicting next events, detecting anomalies, and detecting concept drift in an event log.

We introduce the use of Dynamic Bayesian Networks as a model for monitoring business processes. We extend this model to describe the typical behavior found in these event logs. We show the use of our model for predicting the next events, given a partially completed case in an event log. We then expand the model further to detect anomalies or deviations from the original process. One of the advantages of our Bayesian Network-based approach is its explainability. The impact of taking measures to deal with a predicted anomaly might be high, therefore people need to trust the model before they will take action to correct the running process. We show how we can use this explainability to explain drifts and differences in event logs after the model has identified them.

Predictive Monitoring techniques are proposed in a static situation, where the data used for training and testing is fixed. This leads to using models that are no longer up-to-date for predicting new activities. We propose various strategies for updating existing models while new events arrive. We do this by first using these events for testing our model, and then adding them to the training set which is used to update the model. To allow for quick training times we propose the use of a simple neural network, consisting mainly of a single dense layer. We show that this network performs on par with existing methods with higher complexity.

We also look at how evaluations for next activity prediction are performed in the literature. We show some dangerous practices where results are being copied from papers, resulting in comparisons that are based on different datasets. As we show that small changes to the data can lead to different results. We propose some basic guidelines to improve the reproducibility of next activity prediction methods.

Computational anatomy strategies for characterization of brain patterns associated with Alzheimer's disease - Diana Lorena Giraldo Franco (18/02/2022)

Diana Lorena Giraldo Franco


Abstract

Alzheimer's disease (AD) is one of the most complex systematic malfunctions of the nervous system that are known. The clinical symptoms of this neurodegenerative disease are alterations in cognition and behaviour that can lead to the onset of a dementia syndrome. Disease mechanisms that lead to neurodegeneration and cognitive impairment in sporadic AD are not well understood yet, making it difficult to predict the clinical progression of patients at the early stages of the AD continuum. Currently, no single biomarker or exam is sufficient to diagnose AD and existing standard instruments are not sensitive enough to detect subtle changes, predict the clinical course, and recognize heterogeneous forms of AD. This thesis presents two computational anatomy strategies aiming to identify and quantify neurodegeneration patterns associated with different clinical stages along the AD continuum using two different modalities of magnetic resonance imaging. A third contribution consists of a data-driven strategy to develop a set of domain-specific scores that result useful to estimate the risk of and predict the progression from mild cognitive impairment to dementia. Evaluation of these strategies with machine-learning and statistical inference methods demonstrate the potential of the proposed quantitative tools to help patients' clinical management and monitoring and could be used to improve the evaluation of potential disease-modifying interventions.


Development of Sustainable Catalytic Methods: Aza-Cope Rearrangement of Homoallylamines and Thiosulfonylation of Alkenes - Karthik Gadde (02/02/2022)

Karthik Gadde


Abstract

Bij de synthese van organische verbindingen wordt vaak gebruik gemaakt van dure, niet-hernieuwbare en giftige reagentia/reactanten, katalysatoren of oplosmiddelen. De vervanging hiervan door goedkope, eenvoudig beschikbare alternatieven met een beperkte milieuimpact is dan ook een grote uitdaging. Het onderzoek van dit doctoraatsproefschrift is gericht op de ontwikkeling van nieuwe duurzame methodologieën voor de synthese van α-gesubstitueerde homoallylaminen door middel van een 2-aza-Cope omlegging en een verdere functionalisering via fotokatalyse met zichtbaar licht.

α-Gesubstitueerde homoallylaminen zijn waardevolle synthetische bouwstenen en precursoren voor de synthese van stikstofbevattende heterocyclische verbindingen, natuurproducten en farmaceutische verbindingen. In dit doctoraatsonderzoek werd een metaalvrije of onedel metaal-gekatalyseerde 2-aza-Cope omleggingsstrategie ontwikkeld voor de synthese van α-gesubstitueerde homoallylaminen door gebruik te maken van gemakkelijk toegankelijke aldehyden en 1,1-difenylhomoallylaminen.

Alkenen zijn een van de meest fundamentele functionele groepen in de organische chemie en worden vaak afgeleid van eenvoudige chemische grondstoffen. In de afgelopen decennia heeft de functionalisering van alkenen enorme aandacht getrokken, vooral strategieën om functionaliseringen op een anti-Markovnikov-manier te bereiken waren de focus van fundamenteel onderzoek. De installatie van sulfonyl (R1SO2-) en sulfenyl (R2S−)-groepen is specifiek van belang omdat ze een structurele entiteit vormen van natuurproducten, bioactieve moleculen en geneesmiddelen. Bovendien zijn sulfonyl en sulfenyl groepen aantrekkelijk in de organische synthese omdat ze gemakkelijk kunnen worden omgezet in andere functionele groepen. Directe functionaliseringsmethoden van alkenen, die het mogelijk maken om twee verschillende groepen in een enkele reactiestap te introduceren, zoals de thiosulfonylering, zijn daarom zeer gewenst. In dit proefschrift werd een metaalvrije methodologie ontwikkeld voor de vicinale thiosulfonylering van niet-geactiveerde alkenen door gebruik te maken van thiosulfonaten als reactant en het acridiniumzout 9-mesityl-10-methylacridiniumperchloraat als foto-organokatalysator met bestraling met zichtbaar licht. Om de synthetische relevantie van de ontwikkelde methode te illustreren, werd deze toegepast op homoallylaminen en alkenen in het actieve bestanddeel van geneesmiddelen.

Unraveling the coupled large-scale suspended sediment and phytoplankton dynamics in a turbid and tide-dominated estuary - Dante Horemans (12/01/2022)

Dante Horemans


Abstract

Estuaria vertonen regelmatig regio's waarin gesuspendeerd sediment (SPM) en fytoplankton accumuleert. Voor het beheer van het estuarium is het belangrijk om de locaties van dergelijke regio's te voorspellen en de bijhorende magnitude van de concentraties; zo kan men immers voorkomen dat het systeem evolueert naar een hypertroebele toestand, waarin fytoplankton, dat de basis vormt van de voedselketen, zeer gelimiteerd is.

Om de locatie te voorspellen waar SPM en fytoplankton accumuleert en de bijhorende concentraties dient het verband tussen SPM en fytoplankton begrepen te worden. Aan de ene kan limiteert SPM de fytoplankton groei door het lichtklimaat te verslechteren en daarmee de fotosynthese te bemoeilijken. Aan de andere kant kan fytoplankton de SPM-concentratie bepalen door bijvoorbeeld de uitscheiding van plakkerige substanties. Deze substanties bepalen immers via het vlokvormingsproces de valsnelheid en dynamiek van SPM vlokken. Daarbovenop kunnen ze de bodem stabiliseren en zo de erosie eigenschappen aanpassen, wat ook de SPM concentratie kan beïnvloeden. Terwijl de meeste literatuur focust op de impact van biologische flocculanten op kleine schaal, is de invloed op grote spatiale en temporele schaal nog voornamelijk onbekend terrein. In deze thesis bestuderen we het verband tussen SPM en fytoplankton op grotere temporele en spatiale schaal, toegepast op een troebel, getijde-gedomineerd en nutriëntrijk estuarium, zijnde het Schelde estuarium. Om dit te bekomen combineren we een model aanpak en analyse van meerjaarlijkse observaties die het gehele domein van het Schelde estuarium omvatten.

Ten eerste breiden we een hydro-sediment transport model uit met een vlokvormingsmodel en tonen we aan dat vlokvorming een belangrijke impact kan hebben op de SPM-verdeling op estuariene schaal. Vervolgens gebruiken we het model om aan te tonen dat biotische-geïnduceerde seizoenaliteit in vlokvorming en erosie slechts een beperkte impact heeft op seizoenaliteit in SPM op estuariene schaal. Seizoenaliteit in rivierafvoer verklaart grotendeels de geobserveerde seizoenaliteit in de SPM-verdeling. Vervolgens stellen we een conceptueel model op dat aantoont dat temporale variabiliteit in het lichtklimaat (cf. SPM) de tijdsgemiddelde PP en fytoplankton in exponentiële groei drastisch kan verlagen, en fytoplankton bloei met twee weken kan uitstellen. Ten slotte combineren we al onze eerdere resultaten om aan te tonen dat een meerjaarlijkse verandering in mortaliteit van fytoplankton, en niet enkel SPM, de geobserveerde meerjaarlijkse evolutie in de voorjaarsbloei van fytoplankton in het Schelde estuarium kan verklaren. De toepassing van onze modelaanpak is niet beperkt tot het Schelde estuarium. Het model kan ook toegepast worden op andere troebele getijde-gedomineerde en nutriëntrijke estuaria.

Investigating microbial therapies to combat gut microbiome dysbiosis during pelvic irradiation - Charlotte Segers (10/01/2022)

Charlotte Segers


Abstract

Pelvic cancers are amongst the most frequently diagnosed cancers worldwide. Patients undergoing pelvic radiotherapy often report a wide diversity of complications, which reduce patients’ quality of life. Currently, there are no effective therapies available to mitigate these injuries, which is partly due to a lack of insight into the events causing intestinal mucositis and dysbiosis. Apart from traditional pharmacological compounds, there is a need for research on adjuvant therapies.

This PhD explored the potential of Limnospira indica PCC8005 as innovative treatment strategy for pelvic irradiation-induced mucositis and dysbiosis, in comparison to probiotic Lacticaseibacillus rhamnosus GG ATCC53103.

To achieve this, first, an in vivo irradiation-gut-microbiome model was developed. Herein, the structural and functional impact of pelvic irradiation on the intestinal ecology of healthy mice was characterized so that side effects encountered by patients following pelvic radiotherapy were mimicked. Pelvic irradiation evoked structural and functional changes in the intestine, which secondarily resulted in a microbiome shift. Members of Ruminococcacceae, Lachnospiraceae and Porphyromonodaceae were differentially impacted and identified as biomarkers for pelvic irradiation.

Subsequently, unprocessed, fresh biomass of L. indica PCC8005 or L. rhamnosus GG were investigated for their effect on the gut microbiome of healthy mice. Both appeared to transiently shift the microbial community, characterized by a higher relative abundance of butyrate-producing members of the Lachnospiraceae and Porphyromonadaceae families, respectively. This could indicate a potential for both supplements to sustain or restore the intestinal ecology following pelvic irradiation-induced intestinal mucositis.

Therefore, a randomized, placebo-controlled preclinical trial was set up in which daily supplementation with fresh L. indica PCC8005 and L. rhamnosus GG before and after pelvic irradiation was investigated in our in vivo irradiation-gut-microbiome model. They were evaluated for their radioprotective effects on the intestinal ecosystem. Although both could not confer barrier protection, L. rhamnosus GG was attributed some anti-inflammatory capacities by partly reducing mucosal myeloperoxidase levels. In addition, L. rhamnosus GG appeared more effective in preventing pelvic irradiation-induced dysbiosis when compared to L. indica PCC8005.

In conclusion, this PhD contributed to a better understanding of the pathogenesis of pelvic irradiation-induced mucositis and dysbiosis. Furthermore, we obtained insights in the capacity of Lacticaseibacillus rhamnosus GG ATCC53103, and to a lesser extent Limnospira indica PCC8005, to grant radioprotection. This work thus provides evidence to further explore the potential of both food supplements as a mitigator counteracting pelvic irradiation-induced intestinal mucositis and resultant dysbiosis.