In this thesis, pH and potassium all-solid-state ISE based on potentiometry and bioimpedance sensors were designed, fabricated and integrated in a miniaturized array for its application in endoscopic surgery for in vivo ischemia detection inside the stomach. To achieve this goal, the developed array withstood the low pH and corrosive condition in the gastric juice of the stomach, by modifying the surface with a conductive Ag/AgCl ink containing hydrophilic and hydrophobic groups. That creates a stable and robust candidate for low pH applications. However, these sensors have to demonstrate besides stability, high sensitivity, and selectivity. For this purpose, different ionophores specific to a single ion were tested. Octadecyl isonicotinate was the one that shown better results as pH ionophore and valinomycin, bis [(benzo-15-crown-4)-4-ylmethyl] pimelate for potassium detection. All these ionophores were embedded in PVC polymer membrane containing also plasticizers such as 2-nitrophenyl octyl ether, bis (1-butylpentyl) adipate (BBPA) and liphophilic anionic additives such as potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate (KTpClPB). The specific compositions of membranes to detect potassium or pH were optimized for the better performance of the sensors. pH ISE sensor shows a nernstian behavior (-54,38 mV/pH) at low pH and a nearly nernstian behavior at physiological pH (-34,899 mV/pH). Bioimpedance sensor was tested and optimized in vitro with different solutions of ions concentration to mimic ischemia detection and with different kinds of tissues from different nature. For this purpose, chicken fat and breast tissues were taken as a model for mimicking non-ischemic and ischemic states respectively. The effect of electrodes insulation as well as the pressure applied on the tissue was studied. The dependence of the impedance response with different pressure applied to the sensor was overcome by applying magnetic field attachment. The sensor array was modified with ring magnets which were attracted by an external magnet, giving stable and reliable signal discarding mechanical motion. The shape and size of the sensor array were designed for being adapted to the commercially available gastroendoscopes. Round shaped cylinder of 7 mm diameter was fabricated with 12 electrodes pin of 600 µm diameter, containing 3 RE, 3 pH and 2 potassium all-solid-state sensors and 4 electrodes in a row for impedance measurements. The sensor array was successfully integrated in commercial endoscope and inserted inside the pig stomach. The blood flow of certain area of the stomach was interrupted by ligating or crossclamping vessels and organ wall. Ischemia and reperfusion steps were sensed successfully with potassium and pH sensors. These results also indicate that information about hypoxic tissue damage can be collected with this array. Ischemia was also sensed on small intestine tissue by opening the abdominal part of the body and getting the sensor array in contact with the intestine. By crossclamping of mesenteric artery by tourniquets and scissors, ischemic and reperfusion states were controlled. Results proved that ischemia and reperfusion can be monitored by our integrated sensor array. As a conclusion, a novel all-solid-state potentiometric, miniaturized, low cost and mass producible pH, potassium all-solid-state ISE and impedance sensors integrated in an array was successfully fabricated for detecting ischemia inside the stomach by means of endoscopic techniques and also on small intestine. This array was tested in vitro and vivo giving reproducible and reliable results. The developed all-solid-state pH sensors permit low pH sensing from 0.7-2.5, which is the only example in the literature that allows so low pH detection, and so make this sensor a unique device for stomach detection. / El diagnóstico médico es uno de los campos que han obtenido más ventajas de la capacidad de los electrodos selectivos de iones (ESI) para la detección de iones, ya que los cambios en la concentración de estos elementos están directamente relacionados con diferentes enfermedades. La detección de isquemia es una de las favorecidas por estos sensores. La isquemia es una disminución del suministro de sangre a un órgano y se requiere una detección rápida y precisa. Los métodos de detección in situ en el tejido de los órganos conllevan una detección temprana de la isquemia y el estómago es uno de los órganos más importantes en la detección de Ischemia. Sin embargo, el bajo pH del jugo gástrico del estómago hace difícil la fabricación de sensores de estado sólido con ESI estables y funcionales, principalmente debido a la interferencia de aniones y al problema de la adhesión entre la membrana ESI y la superficie del electrodo. En esta tesis, se han diseñado y fabricado electrodos selección de iones de pH y potasio ESI de estado sólido basados en la potenciometría y sensores de bioimpedancia y se han integrado en una matriz en miniatura para su aplicación en la cirugía endoscópica para la detección de isquemia in vivo en el interior del estómago. El conjunto de sensores se integró con éxito en endoscopio comercial y se inserto en el interior del estómago de un cerdo. El flujo de sangre de cierta área del estómago se interrumpió mediante la ligación o pinzamiento de los vasos sanguineos y la pared del órgano. Los pasos de isquemia y reperfusión fueron detectados con éxito con los sensores de potasio y de pH. Estos resultados también indican que se puede obtener información sobre el daño en el tejido hipóxico recogido con esta matriz. Los sensores de pH de sólido desarrollados permiten la detección pH bajos de 0,7 a 2,5, que es el único ejemplo en la literatura de detección de pH tan bajos con este tipo de sensores y por lo tanto hacen que sea este sensor de un dispositivo único para la detección de isquemia en el estómago.

This essay is devoted to the search for monochromatic gravitational wave signals in the data of the cryogenic detector "Explorer". With this aim several filtering procedures have been designed and applied. Nevertheless, since a detailed knowledge of the response of the detector to the incoming wave is needed for the development of those algorithms, we have begun our exposition with a detailed study of both, signal and antenna.We have reviewed the linear approximation of General Relativity and thus obtained the gravitational emission of a spinning body. We have then computed the received waveform when the detector is planted on the Earth surface, taking into account the effects of the Doppler shift and the time dependent sensitivity of our detector. The results have been expressed in terms of geographical and astronomical common parameters, and thus can be computed using any table of ephemeris.We have outlined how such a perturbation couples with an elastic cylinder and derived and solved the equations that determine the behaviour of the detector.We have designed two new filtering algorithms for detecting monochromatic signals that exhibit a better performance than the most common technique of pure spectral analysis. The first of these methods must be applied when the frequency of the signal is well matched by our spectral template, whereas the second fits the more general case of a signal with arbitrary, but fixed, frequency.The two filtering strategies were developed assuming in the first place that the spectral density of the noise was a known quantity. A generalisation of both algorithms with a built-in spectral estimator was implemented. In all cases a wide probabilistic study of the search procedures was performed in order to evaluate and assess the significance of the outcomes they produce.The general-frequency algorithm for noise with unknown spectrum was extensively used when performing a massive filtering upon the data recorded by the "Explorer" detector between June and November of 1991. As a result of this search several statistically relevant outcomes were found. / L'estructura d'aquest texte descansa en tres pilars fonamentals: l'estudi dels senyals gravitacionals que esperem de trobar, l'analisi de l'antena que tenim previst de fer servir per detectar-los, i la descripció dels processos de filtrat que hem desenvolupat amb el propòsit de fer manifesta la seva presència a les dades experimentals enregistrades.Amb aquest propòsit comencem el Capítol 2 amb una revisió dels aspectes fonamentals de l'aproximació lineal de la Relativitat General: derivem l'equació d'ones, discutim el significat fisic del "gauge" transvers i sense traça, i introduïm la formula quadrupolar quan calculem la forma d'ona emesa per un el.lipsoide rígid i homogeni en rotació, un model molt senzill per descriure un estel de neutrons. També presentem en aquest capítol l'efecte d'una ona plana en un conjunt de particules de prova, posposant l'estudi de la interacción e~tre la radiacio gravitacional i els subjectes extensos fins el Capítol 3.Aleshores, dirigim la nostra atenció cap al problema de la descripció de l'ona que rebrem, tot estudiant els dos principals efectes destorbadors que hem mencionat a la secció previa: el corriment Doppler en la freqüència observada de l'ona, i la sensibilitat en funció del temps del detector. Derivarem les contribucions explicites d'aquests efectes a la forma d'ona de la pertorbació que s'apropa, en termes de la posicio astronòmica de la font i la localització geogràfica del nostre detector. D'aquesta manera, l'expressió final que s'obté per a la força gravitacional serà adient, no només per calcular en el Capítol 3 la resposta teòrica de l'antena ressonant a aquest agent extern, sinò en problemes pràctics d'anàlisi de dades, donat que les fòrmules poden ser fácilmente restringides a exemples concrets, tot usant una simple taula d'efemèrides.De fet, en el Capítol 3 son descrits tots els aspectes que es relacionen especificament amb l'aparell experimental de detecció: l'antena criogènica ressonant "Explore"r. Veurem, en primer lloc, com un cilindre metà.l.lic s'acobla a la radiació gravitacional. Presentem i resolem les eqüacions que la teoria de l'elasticitat proporciona per a aquest sistema, i mostrarem com pot ser correctament modelat per un simple oscil.lador harmònic, un resultat aquest ben conegut. Un cop hem raonat que una barra elàstica es pot fer servir com a nucli d'un detector d'ones de gravetat, dissecionem els dos components principals que conformen l' "Explore"r, a mes del propi cilindre d'alumini: el transductor capacitiu ressonant, que transforma de manera eficient les vibracions del cilindre a voltatges elèctrics, i el d.c. SQUID, un amplificador electromagnètic basat en efectes qüàntics. Després ampliem el model d'oscil.lador harmonic usat habitualment, a fi i efecte d'incloure l'acoblament mecànic, intencionadamente dissenyat, que apareix entre la barra i el transductor. Com hem mencionat abans, trobarem les solucions de les noyes equacions que descriuen tot el detector en el cas en que la força externa sigui deguda a una ona gravitacional monocromàtica amb corriment Doppler i amplitud depenent del temps.També descriurem el sistema d'adquisició de dades de l'antena, el qual enregistra finalment, en forma de fitxers informatics les referides oscil.lacions de l'extrem de la barra, juntament amb altre informació experimental util, provinent de diferents sensors incorporats a l' Explorer: dos sismògrafs, un detector de radiació electromagnètica, i diversos filtres analògics "on line". Estudiem finalment les presuntes caracteristiques del soroll que amb total certesa afectarà a aquest procés d'adquisició de dades, i per tant serà present a la sortida del detector, amb sort barrejat amb la resposta del detector a la radiació gravitacional que l'afecti.Aquesta aproximació al tema del soroll pot ser pensada, en certa manera, com un petit prefaci del Capítol 4, on desenvolupem el problema de l'anàlisi del fluxe de dades experimentals. En aquest Capítol es on es troben la major part de les contribucions originals, que al problema de la detecció d'ones gravitacionals, hem presentat en aquest texte. Començarem amb la teoria ben establerta del "'matched filter", o filtre adaptat, que determina el millor filtre lineal per un senyal donat, soterrat en soroll amb densitat espectral coneguda. En el nostre cas, el procediment de filtrat que s'obté amb aquesta aproximació és equivalent a una simple transformada discreta de Fourier. Després ens enfrontarem a les conseqüències que comporta la impossibilitat pràctica de realitzar l'anàlisi de totes les dades recollides d'un sol cop, sinó que ho haurem de fer en diferents blocs. A diferencia del procediment usual de promitjar el quadrat dels mòduls de la transformada de Fourier de cada peça, desenvoluparem un mètode que també aprofita la informació relativa a la fase continguda en les diverses porcions de dades procesades, aconseguint d'aquesta manera un procediment de filtrat no lineal.En un primer pas suposarem que la freqüència del senyal amagat correspon a un únic valor espectral del banc de filtres que apliquem, definit de manera natural per l'algoritme de la transformada ràpida de Fourier. Considerem dos possibles escenaris depenent de la informacio de que disposem en relació al soroll: la seva densitat espectral pot ser coneguda o bé desconeguda. En tots dos casos es desenvolupa un estudi probabilistic detallat del resultat del filtre i les conclusions que en treiem són comparades amb el resultat obtingut després de I'aplicació del segon algoritme sobre les dades experirnentals, amb un senyal extern afegit. Com que el metode demostra ser efectiu (revela la presencia del senyal de control en la serie de dades) i funciona d'acord amb les nostres prediccions estadistíques, relaxarem la restricció imposada sobre la freqüència. D'aquesta manera dos nous mètodes de filtrat per freqüències arbitràries es desenvolupen: el primer per sorolls amb espectre conegut, el segon per a espectres desconeguts. Discutim un altre cop el comportament probabilístic dels nostres algoritmes de cerca, el que ens permetrà de fer afirmacions estadístiques (tot aplicant el ben conegut criteri de Neyman-Pearson) en relació als resultats rellevants que obtenim just després de l'aplicació massiva del procediment de filtrat sobre un periode de sis mesos de dades enregistrats pel detector "Explorer" entre el Juny i el Novembre de l'any 1991. Revelar l'origen d'aquests resultats positius és tema d'un posterior (i més profund) estudi.

Tesi realitzada a l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CISC) / In the last decades, there has been a huge proliferation of portable devices. Among them, consumer electronics such as mobile phones, music players, e-books, etc. are greatly extended. In order to provide these devices with the required autonomy, a power supply system has to be integrated within the device packaging. This impels the search of integrated power sources that could satisfy the requirements of high power density, long operation lifetime and low cost. Up to now, batteries have been commonly used as power supply for these devices. However, as functionalities increase, the need high off-grid power supply and storage exponentially increases. Just entering on the 4th generation (4G) era on consumer electronics devices, some studies suggest that the already optimized batteries are probably reaching their energy density limit and no longer can be considered for reliably powering high-performance devices. Therefore, in the last years, many research groups around the world have focused their attention on the development of efficient alternatives to batteries, as power supply for the new high-performance portable devices working on the low power regime (1−20W). Due to their long lifetime, high power density and integrability, probably the most promising alternative is the development of micro fuel cells. Among them, micro solid oxide fuel cells (micro SOFC) present the highest values of specific energy densities (by unit mass and/or volume), mainly due to their higher operating temperature and subsequent capability of operate directly on hydrocarbon fuels. The most extended design for micro SOFC devices is based on the fabrication of accessible freeKstanding membranes of the functional layers, i.e. a thin electrolyte covered by an anode and a cathode one at each side (electrodes), supported on silicon-based microfabricated platforms. The use of silicon as supporting material has been found to be very convenient as it is the principal material used in microfabrication technology and therefore there exist a wide and well-known series of techniques already developed for its micromachining. This allows the fabrication of functional membranes, while ensuring robustness on the system. This thesis encompasses the design, fabrication and characterization of thin film-based micro solid oxide fuel cells integrated in silicon. The development of micro SOFC was carried out in three different ways; (i.) presenting new designing strategies for the optimization of the free-standing membranes, (ii.) fabricating thermo-mechanically stable thin film electrolytes and (iii.) suggesting and implementing new more reliable thin film electrode materials. On one side, two different membrane designs are micro fabricated using silicon micro machining technology. First, the fabrication of a basic square design was firstly addressed, where the main concerns were placed on the adaptation of the fabrication flow to the Clean Room capabilities at IMB-CNM (CSIC). Then, an innovative large-area membrane was designed and fabricated. This second design was based on the use of doped silicon slab grids as robust support for the larger freeKstanding areas, allowing the fabrication of x30 larger membranes than previous basic designs. Yttria-stabilized zirconia (YSZ), the state-of-the-art electrolyte material in bulk SOFC, was used for the fabrication of thin film free-standing electrolytic membranes. Dense, fully crystalline and homogeneous films were obtained, as required for the fabrication of effective electrolytes, thus avoiding shortcuts between electrodes and/or gas leakages. An exhaustive study on the thermoKmechanical stability of the electrolytic membranes was performed, paying special attention to the evolution of the stress with fabrication conditions. Finally, target values of resistance associated to the electrolyte (Area Specific Resistance, ASR= 0.15 Ωcm(2)) were obtained at temperatures as low as 400℃ for 250 nm-thick YSZ membranes, thus presenting them as suitable electrolyte for micro SOFC operating in the intermediate range of temperatures (IT range, 400 − 800℃). Several materials were tested as thin film electrodes for their use in micro SOFC. First, although widely used by other authors in previous reports of micro SOFC systems, thin film metallic electrodes (porous Pt) were found to be thermally instable under micro SOFC operating temperatures. This impelled the search for alternative materials as either cathode or anode. For the cathode side, porous La(0.6)Sr(0.4)CoO(3-δ) (LSC) thin films were fabricated and implemented in real micro SOFC configurations, i.e. free-standing membranes. Sufficient conductivity for their use as cathode films was measured, and no degradation was observed in the whole operating range. The thermo-mechanical stability of LSC/YSZ/LSC membranes was ensured up to 700℃. Target values of ASR required for SOFC cathode/electrolyte bi-layers (0.30Ω cm(2)) were achieved in the IT range (700℃). For the anode side, porous Pt-Ce(0.8)Gd(0.2)O(1.9-δ) (Pt-CGO) thin film cermets were fabricated. Porous CGO films below 1m thick had to be fabricated due to delamination problems. Percolation of Pt into the porous ceramic network was ensured by thermal treatment and observed by SEM. Anode electrochemical performance was tested on Pt-CGO/YSZ/CGO-Pt symmetrical membranes. Target values for the anode/electrolyte biKlayer were reached again at temperatures of ca. 700℃. In addition, the fabrication of thermally stable metal-based current collectors was also addressed. A non-conventional lithographic step, i.e. nanosphere lithography was used in order to define a patterned grid on both sides of the functional membranes. Dense Pt grids were fabricated thermo-mechanically stable, and their durability was ensured during real micro SOFC operating conditions. Finally, a fully ceramic-based micro SOFC was presented here for the first time. The three functional components of the fuel cell, i.e. cathode, electrolyte and anode, were fabricated by using the previously developed thin films. Thus, LSC/YSZ/CGO-Pt free-standing membranes were fabricated, and finally Pt current collectors were implemented on both sides. Thermo-mechanical stability of the micro SOFC membrane was proved till 750℃, extending the up-to-now reported operating temperatures of micro SOFC and therefore allowing the use of ceramic electrodes. A maximum power density of 100 mW/cm(2) was measured at 750℃ under pure H2 as fuel and synthetic air as oxidant. These results represented the first report on a second generation of more reliable micro SOFC systems, based on ceramics instead of thermally instable metal-based electrodes. / En las últimas décadas, ha habido una gran proliferación de aparatos portátiles. Entre ellos, cabe destacar los aparatos destinados a electrónica de consumo, como por ejemplo teléfonos móviles, reproductores de música, libros electrónicos, etc., los cuales están actualmente muy extendidos. De cara a proporcionar a estos aparatos con suficiente autonomía, se ha de integrar una fuente de alimentación en el mismo dispositivo. Esto urge a buscar posibles fuentes de alimentación con capacidad de integración, y que a su vez satisfagan los requerimientos básicos de alta densidad de potencia, gran tiempo de vida y bajo coste. Hasta ahora, la principal fuente de alimentación utilizada en este tipo de dispositivos ha sido las baterías. Sin embargo, conforme aumentan las funcionalidades, la necesidad de mayor capacidad de suministro (o almacenamiento) energético aumenta. Es más, justo ahora entrando en la cuarta generación (4G) de la electrónica de consumo, diversos estudios sugieren que las baterías, ya optimizadas, probablemente están alcanzando su límite en densidad energética, con lo que no podrían ya considerarse más para alimentar de manera viable los dispositivos más avanzados. En este sentido, en los últimos años muchos grupos de investigación han puesto su atención en el desarrollo de alternativas viables que puedan mejorar las prestaciones de las baterías como fuente de alimentación de dispositivos de altas prestaciones que trabajen en el régimen de baja potencia (1 − 20W). Debido a su alto tiempo de vida, alta densidad energética y capacidad de integración, probablemente la alternativa más prometedora es el desarrollo de micro pilas de combustible. En particular, entre los diferentes tipos, las micro pilas de combustible de óxido sólido (micro SOFC, de sus siglas en inglés), presentan los mayores valores de densidad energética específica (por unidad de masa y/o volumen), mayormente debido a su alta temperatura de operación y la consecuente capacidad de operar directamente con combustibles hidrocarburos. El diseño de micro SOFC más extendido está basado en la fabricación de membranas auto soportadas, las cuales integran ya todas las partes funcionales de la pila, es decir, un electrolito fino cubierto por un ánodo y un cátodo (uno a cada lado). Estas membranas, de grosor muy fino (menos de 1m), normalmente se encuentran soportadas en plataformas de silicio micro mecanizadas, de manera que se facilita un fácil acceso al combustible directamente a ambos lados de la membrana, a la vez que se proporciona robustez al sistema. El uso de silicio como material de soporte es muy conveniente, ya que es el material más utilizado en micro fabricación, por lo que existe una amplia y altamente desarrollada serie de técnicas para su micro mecanizado. Esta tesis engloba el diseño, la fabricación y la caracterización de micro pilas de combustible de óxido sólido basadas en capas delgadas, e integradas en tecnología de silicio. El desarrollo de las micro SOFC se ha llevado a cabo de tres formas diferentes: (i.) presentando nuevos diseños para la optimización de las membranas auto soportadas, (ii.) fabricando electrolitos en capa delgada estables termo-mecánicamente y (iii.) sugiriendo e implementando en el dispositivo final nuevos materiales de electrodo en capa delgada más efectivos y viables que los actuales. En primer lugar, se fabricaron dos diseños de membrana diferentes, usando tecnología de micro fabricación de silicio. En el primero de los diseños, se fabricaron membranas cuadradas básicas. En este caso, el trabajo más importante fue el de la adaptación del proceso de fabricación al flujo de fabricación de la Sala Blanca del IMB-CNM (CSIC). Más adelante, se desarrolló un nuevo diseño de membrana de gran superficie, basado en el uso de mallas de nervios de silicio dopado como soporte robusto. Así, se consiguieron fabricar membranas auto soportadas con un área total de hasta 30 veces mayor que las conseguidas en el diseño básico anterior. Para el electrolito, se usó zirconia estabilizada con ytria (YSZ, de sus siglas en inglés), el material estado del arte en SOFC de gran volumen. Se fabricaron membranas auto soportadas de YSZ con gran reproducibilidad, obteniendo capas delgadas densas, cristalinas y de grosor homogéneo. Estas características son básicas para un buen funcionamiento del electrolito, ya que así se evitan posibles cortocircuitos entre los dos electrodos y/o fugas de gas. Además, se realizó un estudio exhaustivo de la estabilidad termo-mecánica de las membranas de YSZ, ya que las temperaturas de operación de la pila son de varios centenares de ℃. En particular, se prestó atención especial a la evolución de los estreses en función de las condiciones de fabricación de la capa de YSZ, para as. evitar posibles fallos en los continuos ciclados térmicos. Finalmente, se realizó un estudio de las propiedades electroquímicas de las membranas de YSZ fabricadas. Normalmente, se establece un valor de resistencia específica por área de 0.15 Ω cm2 para cada una de las capas funcionales de las pilas. En este caso, este valor objetivo se obtuvo a temperaturas de 400℃ en membranas de YSZ de 250 nm de grosor. De esta forma, se comprobó que estas capas pueden funcionar perfectamente como electrolito en todo el rango de operación de las micro SOFC, que normalmente se establece en 400 − 800℃. A continuación, se probaron diversos materiales como electrodos en capa delgada, para su implementación en micro SOFC. En primer lugar, aunque éstos han sido usados frecuentemente por otros autores en estudios previos de micro SOFC, se comprobó que los electrodos metálicos en capa delgada (capas de Pt poroso) son inestables a las temperaturas de operación de las micro SOFC. Por lo tanto, esto hizo que se probaran materiales alternativos, bien para el ánodo o para el cátodo. En particular, para el cátodo se fabricaron capas delgadas porosas de La(0.6)Sr(0.4)CoO(3-δ) (LSC) y se integraron en membranas auto soportadas de YSZ (electrolito). La conductividad eléctrica que se midió en estas capas es adecuada, y no se observó degradación en todo el rango de temperaturas de operación. Así mismo, se comprobó la estabilidad termo mecánica del sistema fabricando membranas simétricas de LSC/YSZ/LSC y realizándoles ciclados térmicos hasta los 700℃. Por último, se midieron las propiedades electroquímicas de las bi-capas cátodo/electrolito, obteniendo los valores objetivo de resistencia específica por área (0.30 Ωcm2) a temperaturas de 700℃. Para el ánodo, se fabricaron capas delgadas porosas de un cermet de Pt y Ce0(.8)Gd(0.2)O(1.9-δ) (PtKCGO). Las capas de CGO se tuvieron que fabricar de grosores por debajo de 1 m, debido a problemas de delaminación del sustrato. Se aseguró una buena inter-conexión entre el Pt y el CGO mediante tratamientos térmicos. Las propiedades electroquímicas se midieron nuevamente fabricando membranas simétricas, esta vez Pt-CGO/YSZ/CGO-Pt. Así mismo, el objetivo de 0.30 Ωcm2 se obtuvo de nuevo a temperaturas alrededor de 700℃. Además, en esta tesis se llevó a cabo la fabricación de colectores de corriente térmicamente estables y a su vez compatibles con la configuración básica de una micro SOFC (membranas auto soportadas). Para ello, se usó un proceso de litografía no convencional, llamado "nanosphere lithography". De esta forma se fabricaron mallas de Pt denso perfectamente ordenadas en ambos lados de las membranas. La estabilidad térmica y la durabilidad en el tiempo de estas mallas fue igualmente probada mediante medidas en condiciones de trabajo reales de micro SOFC. Por último, en este trabajo se presentó una micro SOFC completamente basada en cerámicas por primera vez. Las tres capas funcionales de la pila, es decir, tanto el cátodo, como el electrolito y el ánodo, se fabricaron basándose en los estudios previos de cada material. Así, se fabricaron membranas auto soportadas siguiendo la configuración LSC/YSZ/CGO-Pt. Además, se implementaron mallas de Pt en ambos lados para asegurar una buena colección de corriente. La estabilidad termo mecánica de la membrana se midió hasta 750℃, extendiendo así el rango de temperaturas de operación reportado anteriormente en dispositivos finales de micro SOFC y en consecuencia permitiendo el uso de electrodos cerámicos. Se midieron valores de densidad de potencia de 100 mW/cm2 a 750℃, usando H2 como combustible y aire sintético como oxidante. Estos resultados representan los primeros valores de potencia presentados en micro SOFC basadas en cerámicas, abriendo as. la posibilidad de desarrollar una segunda generación de micro SOFC más viables térmicamente.

However successful classical general relativity is, it faces non-normalizability problems at the quantum mechanical level. Nevertheless, it predicts the existence of black holes, which are thermal objects that are expected to still exist in a satisfactory theory of quantum gravity. This is one of the main reasons why black holes are important. String theory is considered, today, to be the most successful candidate for a quantum theory of gravity. Its mathematical consistency requires spacetime to have ten dimensions, and thus, it motivates the study of general relativity, and in particular, black holes, in higher dimensions. This is the main focus of our thesis. Moreover, the advent of the AdS/CFT correspondence, relating a theory of gravity to a quantum field theory in one less dimension have raised even more the interest in higher dimensional gravity. Compared to four-dimensional general relativity, which has been largely studied and investigated in the past years, general relativity in higher dimensions has many interesting and new features. Uniqueness is one property of four dimensional general relativity that does not continue to hold in higher dimensions. Another related property is that in four dimensions black holes can have horizons of a spherical topology only, while in higher dimensions black objects can have other topologies as well. Black rings are a manifestation of this. The last two new properties lead to topological phase transitions in the phase space of higher dimensional black holes, which is one of the topics we consider and touch upon in this thesis. The existence of extended black objects in higher dimensions, called black “p”-branes, is an important and fundamental issue. Those objects were found to be dynamically unstable. Therefore, the following of this instability has become an important problem. What is the end state of it?. This instability is known as the Gregory-Laamme instability and it is another topic we investigate in our thesis and which we relate to a type of fluid-gravity correspondence in at spacetime. The existence of black “p”-branes is attributed to the fact that in higher dimensional general relativity there are black holes that can rotate as fast as one wishes. That is, there is no analogue of the four-dimensional Kerr bound which prevents black holes from spinning very fast. The fast rotation, on the other hand, which is possible in higher dimensions has the effect that it makes the horizon of the black hole flattens along the rotation plane, and hence, in the limit it approaches the black “p”-brane geometry. In chapter [3] we give a short introduction to the blackfolds approach to higher dimensional black holes. We discuss the reasons that make new approximate methods available in higher dimensions. We introduce the basic objects, or the building blocks, of the approach, which are the boosted black “p”-branes, and explain how the blackfolds approach can be used to construct from them new stationary solutions to the gravitational field equations with new and novel topologies and how it can be used to construct dynamical solutions as well. In chapter [4] we give a brief introduction to the topic of topology change in general relativity. We discuss the Kaluza-Klein black hole phases, the homogeneous black string phase, the inhomogeneous black string phase and the localized black hole phase. We explain the mechanism under which a topological phase transition appears as one moves in the phase space from a black string to a localized black hole. In chapter [5] we managed to formulate a type of fluid-gravity correspondence in at space. We found a map between a fluctuating boosed black “p”-brane and a relativistic viscous fluid living at spatial infinity. That is, we constructed a solution to the vacuum Einstein equations of a dynamical black “p”-brane up to first order in derivatives. The dual viscous fluid is characterized by two parameters (transport coefficients) in the stress tensor - the shear and bulk viscosities. Using the gravitational solution we succeeded to compute those coefficients. Furthermore, by using the effective description of the black “p”-brane as a viscous fluid in a lower number of dimensions we studied the Gregory-Laamme instability and we found a striking agreement with the numerical results, already obtained, on this problem (which were obtained by analyzing the linearized gravitational equations). In more details, by including the damping effect of the viscosity in the unstable sound waves, we obtained a remarkably good and simple approximation to the dispersion relation of the Gregory-Laamme modes, whose accuracy increases with the number of transverse dimensions. We proposed an exact limiting form as the number of dimensions tends to infinity. Hence, instead of attacking the complicated (linearized) gravitational equations we propose instead to attack the relativistic Navier-Stokes equations of the effective (dual) fluid, as they are much simpler than the former. In chapter [6] we tackled and made progress in a different problem - topology change in higher dimensional general relativity. Before the advent of our work there had been no analytical (but only numerical) complete example of a topological phase transition in general relativity. The black string / black hole phase transition in Kaluza-Klein spaces was analyzed and studied only numerically. Neverthelss, some local models had been obtained analytically. It was argued that the phase transition passes through (or is mediated by) a singular critical configuration; a self-similar double cone geometry. This geometry was found only locally, though. In our work we have provided for the first time a complete analytical example of a topological phase transition. We took the rotating black hole inside de-Sitter space (the Kerr-de-Sitter black hole), and we showed that if one follows a trajectory in the phase space of solutions along which the black hole rotation is increased then it will pancake along the rotation plane, and finally it will touch the de-Sitter horizon along that plane. A merger transition is obtained if one continues to move along the same phase space trajectory, leading to a merged phase with a single connected horizon. In our example, the critical configuration (in which the two horizons just meet) is mediated by a self-similar double cone, thus confirming previous propositions of the mechanism under which topological transitions work. We also described local models for the critical geometries that control many transitions in the phase space of higher-dimensional black holes, such as the pinch-down of a topologically spherical black hole to a black ring or to a black p-sphere, or the merger between black holes and black rings in black Saturns or di-rings in D >/= 6. It is worth mentioning, in addition, that the cones we have found are general ones (compared to previously known ones), in the sense that they describe two horizons that intersect each other at different temperatures, not only ones that intersect each other with the same temperature. However, in the case the two horizons intersect at different temperatures, there can be no merger transition afterwards, and so the trajectory of solutions in the phase space ends there. / Malgrat el seu èxit a nivell clàssic, la relativitat general s'enfronta a problemes de no-renormalitzabilitat a nivell quàntic. No obstant, prediu l'existència de forats negres, que són objectes tèrmics que s'espera que continuïin existint en una teoria satisfactòria de gravetat quàntica. La seva consistència matemàtica requereix que l'espai-temps tingui deu dimensions, i d'aquesta manera motiva l'estudi de la relativitat general, i en particular els forats negres, en dimensions altes. Aquest és el tema central de la nostra tesi. A més, l'adveniment de la correspondència AdS/CFT, que relaciona una teoria de gravetat amb una teoria quàntica de camps en una dimensió menys, ha incrementat encara més l'interès en la gravetat en dimensions altes. Comparada amb la relativitat general en quatre dimensions, que ha estat àmpliament estudiada i investigada els darrers anys, la relativitat general en dimensions més altes té moltes característiques noves i interessants. La unicitat és una propietat de la relativitat general en quatre dimensions que no continua sent vàlida en dimensions més altes. Una altra propietat relacionada amb aquesta és que en quatre dimensions els forats negres només poden tenir horitzons amb topologia esfèrica, mentre que en dimensions més altes els objectes negres poden tenir també altres topologies. Els anells negres són una manifestació d'això. Les dues noves propietats esmentades donen lloc a transicions de fase topològiques a l'espai de fases dels forats negres en dimensions altes, que és un dels temes que considerem i als quals contribuïm en aquesta tesi. L'existència d'objectes negres estesos en dimensions altes, anomenats p-branes negres, és un tema important i fonamental. Se sap que aquests objectes són dinàmicament inestables. Per tant, la qüestió de cap on condueix aquesta inestabilitat ha esdevingut un problema important. Quin és l'estat final? Aquesta inestabilitat es coneix com la inestabilitat de Gregory-Laflamme i és un altre tema que investiguem a la nostra tesi, i que relacionem amb un tipus de correspondència entre fluids i gravetat a l'espai-temps pla. L'existència de p-branes negres s'atribueix al fet que en relativitat general en dimensions altes hi ha forats negres que poden rotar de manera arbitràriament ràpida. és a dir, no hi ha un anàleg de la cota de Kerr en quatre dimensions, que impedeix que els forats negres donin voltes molt de pressa. La rotació ràpida, per altra banda, que és possible en dimensions més altes té l'efecte d'aplanar l'horitzó del forat negre al llarg del pla de rotació, i per tant en el limit de velocitats altes s'apropa a la geometria de la p-brana negra. Al capítol 3 donem una breu introducció a l'estudi de forats negres en dimensions més altes per mitjà de les anomenades ``blackfolds''. Discutim les raons per les quals hom pot fer servir nous mètodes aproximats en dimensions més altes. Introduïm els objectes bàsics de l'enfoc amb blackfolds, les p-branes negres impulsades, i expliquem com l'enfoc amb blackfolds es pot fer servir per construir a partir d'elles noves solucions estacionàries de les equacions del camp gravitatori amb noves topologies, i com es pot fer servir també per construir solucions dinàmiques. Al capítol 4 donem una breu introducció al tema dels canvis de topologia en relativitat general. Discutim les fases del forat negre de Kaluza-Klein, la fase de corda negra homogènia, la fase de corda negra inhomogènia i fase de forat negre localitzat. Expliquem el mecanisme pel qual apareix una transició de fase topològica quan hom es mou per l'espai de fases des d'una corda negra fins a un forat negre localitzat. Al capítol 5 hem aconseguit formular un tipus de correspondència entre fluids i gravetat a l'espai pla. Hem trobat un mapa entre una p-brana negra impulsada fluctuant i un fluid viscós relativista situat a l'infinit espacial. és a dir, hem constrïit una solució de les equacions d'Einstein al buit d'una p-brana negra dinàmica fins a primer ordre en derivades. El fluid viscós dual està caracteritzat per dos paràmetres (coeficients de transport) al tensor d'energia-moment, la viscositat de cisallament i la viscositat de compressió. Fent servir la solució gravitatória hem pogut calcular aquests coeficients. A més, fent servir la descripció efectiva de la p-brana negra com un fluid viscós en un nombre més baix de dimensions hem estudiat la inestabilitat de Gregory-Laflamme, i els nostres resultats estan d'acord de manera molt precisa amb els resultats numèrics prèviament obtinguts en aquest problema (que havien estat obtinguts per mitjà d'una anàlisi de les equacions gravitaòóries linealitzades). Més en detall, incloent l'efecte d'amortiment de la viscositat en les ones de so inestables hem obtingut una aproximació remarcablement bona i senzilla a la relació de dispersió dels modes de Gregory-Laflamme, la precisió de la qual augmenta amb el nombre de dimensions transverses. Hem proposat una forma límit exacta quan el nombre de dimensions tendeix a infinit. Així, en lloc d'intentar resoldre les complicades equacions gravitatòries (linealitzades) proposem intentar resoldre les equacions relativistes de Navier-Stokes per al fluid efectiu (dual), ja que aquestes són molt més senzilles que les primeres. Al capítol 6 hem abordat i hem fet progrés en un altre problema: canvi de topologia en relativitat general en dimensions més altes. Abans del nostre treball no hi havia cap exemple analític complet (només n'hi havia de numèrics) d'una transició de fase topològica en relativitat general. La transició de fase corda negra/ forat negre en espais de Kaluza-Klein havia estat analitzada i estudiada només numèricament. No obstant, alguns models locals

The purpose of this thesis is to put forth and present a series of new applications of the gauge/string duality to areas of high energy physics and condensed matter physics. The contributions showcased in this thesis amount to the ever growing recollection of evidence that supports the duality, which has already become a broad and extensive field of its own. Most of the work contained in this thesis addresses the study of the quark gluon plasma, a state of matter that might allow to be approximated by simple gravitational descriptions and is, at the same time, accessible by experiment. This constitutes a great advantage, since it gives the possibility of testing the qualitative predictions that can be derived from the calculations in holography, like the ones presented in this thesis. One of them is that a heavy quark moving suficiently fast through a quark-gluon plasma may lose energy by Cherenkov-radiating mesons. Special emphasis is given to the fact that this effect takes place in all strongly coupled, large-Nc plasmas with a gravity dual. Phenomenological implications for heavy-ion collision experiments are also discussed. On the other hand, an extensive use is made of a IIB supergravity solution dual to a spatially anisotropic finite-temperature N = 4 super Yang-Mills plasma. Motivation comes from the fact that the quark gluon plasma created in heavy-ion collisions is anisotropic. The analysis focuses on three important observables of the plasma: Firstly, the drag force experienced by a massive quark propagating through the plasma is considered. The results show a generic misalignment of the gluon cloud trailing behind the quark, the quark velocity and the drag force itself whenever anisotropy is taken into account. Secondly, a study of the jet quenching parameter of the plasma is presented for arbitrary orientations and arbitrary values of the anisotropy. Perhaps surprisingly, the anisotropic value can be larger or smaller than the isotropic one, and moreover, this depends on whether the comparison is made at equal temperatures or at equal entropy densities. Finally, the screening length for quarkonium mesons in the anisotropic plasma is computed. The most important result is that not only can the temperature cause the dissociation of mesons, but anisotropy itself, even at zero temperature, may be responsible for it. Lastly, the duality is applied to the holographic description of anisotropic p-wave super- fluids, and a gravitational model is used to perform a complete analysis of their transport phenomena in the superfluid phase. The thermoelectric, piezoelectric and exoelectric effects are thoroughly studied. The results reproduce characteristic features of both superfluids and superconductors. In particular, the viscosities of the fluid deviate from the universal value, as is expected in an anisotropic condensed phase. An additional viscosity coeficient, associated to the difference in normal stresses and not previously considered in the holographic context, is also computed. / El propósito de esta tesis es presentar una serie de nuevas aplicaciones de la dualidad gauge/gravedad a áreas de la física de altas energías y de la materia condensada. La mencionada dualidad se ha convertido en un amplio y extenso campo, y las contribuciones resaltadas en esta tesis se unen a la creciente recopilación de evidencia que la apoya. La mayoría del trabajo realizado se refiere al estudio del plasma de quarks y gluones, un estado de la materia que podría permitir ser aproximado por simples descripciones gravitatorias y que es, al mismo tiempo, accesible experimentalmente. Esto daría la posibilidad de poner a prueba las predicciones cualitativas que se derivan de cálculos holográficos como los contenidos en esta tesis. Uno de ellos recoge la predicción de que un quark pesado moviéndose lo suficientemente rápido a través del plasma de quarks y gluones podría perder energía por radiación Cherenkov de mesones. Un énfasis especial se da al hecho de que este efecto tiene lugar en todos los plasmas fuertemente acoplados en el límite de gran N(c), siempre y cuando tengan un dual de gravedad. Por otra parte, se hace un extenso uso de una solución de supergravedad IIB dual a un plasma de N = 4 súper Yang-Mills anisotrópico a temperatura finita. La motivación viene del hecho de que el plasma de quarks y gluones creado en colisiones de iones pesados es anisotrópico. El análisis se centra en tres observables importantes del plasma: La fuerza de arrastre experimentada por un quark masivo que se propaga en el plasma, el parámetro de jet quenching para direcciones y valores de la anisotropía arbitrarios, y la longitud de apantallamiento de mesones de quarkonium en el plasma anisotrópico. Finalmente, se aplica la dualidad a la descripción holográfica de superufluídos de onda p. Se usa un modelo gravitatorio para realizar un análisis completo de sus fenómenos de transporte en la fase superufluídica. Los efectos termoeléctrico, piezoeléctrico y exoeléctrico se estudian en detalle. Los resultados reproducen características típicas tanto de superufluídos como de superconductores. También se calcula un coeficiente de viscosidad adicional, asociado a la diferencia de esfuerzos normales y no considerado previamente en el contexto holográfico.

The first block of this thesis deals with the study of the degradation process of tungsten catalytic filaments in the field of silicon deposition with the Hot Wire Chemical Vapour Deposition (HWCVD) technique. The development of technological solutions addressed to the filaments protection will also be dealt as well as the design, fabrication and performance of a novel system for the automatic replacement of used filaments in a HWCVD reactor. The second block deals with the scaling up of HWCVD towards large area deposition and the existence of a scaling law that may allow the deposition of microcrystalline silicon (µc-Si:H) at high rate preserving the material quality. / El primer bloc d'aquesta tesi es centra en l'estudi del procés de degradació dels filaments de tungstè catalítics en el camp de la deposició de silici amb la tècnica de dipòsit químic en fase vapor assistida per filament calent (HWCVD). També es tractarà el desenvolupament de solucions tecnològiques dirigides a la protecció filaments i al reemplaçament d’aquests de forma automàtica, sense interrompre el procés. El segon bloc tracta sobre l’escalat de la tècnica HWCVD cap a gran àrea i sobre l'existència d'una llei d'escala que permeti la deposició de silici microcristal•lí a altes velocitats, tot preservant la qualitat del material.

Cell membranes are 2-D heterogeneous fluid systems that show nanoscale structures of great interest because of its importance in membrane functions. Due to the inherent complexity of natural membranes, the study of model membranes is essential to obtain important information about membranes. The small lateral size and tiny variation of the height of the lipid structures require the use of nanoscale characterization techniques. However, the requirement of liquid environment to preserve the integrity of the membrane limits the number of techniques that can be applied in the study of the physical and chemical properties of biomembranes. The objective of the present thesis was to develop a procedure to prepare model lipid bilayers stable in air environment and showing physicochemical properties as close as possible to their equivalent in liquid media. For the first experiments DOPC was selected as model to adapt the existing protocols for hydrated spin-coated samples to the new protocol for dried samples. In the structural study it was demonstrated that the dewetting pattern described by previous authors not only depends on the proximity of the layer to the substrate because also depends on the lipid concentration on the coating solution. Apart from that the presence of a continuous monolayer in contact with the mica substrate was demonstrated contrary to previous results with other lipids. The force spectroscopy measurements represented the first study on single bilayers in air and surprisingly demonstrated that the lipid layers in air presented similar mechanical properties than hydrated samples. Secondly the preparation protocol was adapted for phospholipids with different characteristics, the saturated phosphocholines. Contrary to unsaturated lipids, which present in general a high fluidity at ambient temperature, this is not always true for saturated lipids. For phosphocholines with short hidrocarbonated chains the melting temperature is low and then they are fluid, but for long hidrocarbonated chains the melting temperature is high and they can present a non-fluid behavior. For this reason different saturated lipids with different chain lengths were studied (DLPC, DMPC, DPPC and DSPC). The results with these lipids demonstrate that the conventional protocol of spin-coating induces the interdigitation of certain areas of the samples for the cases of DPPC and DSPC. The effect of the presence of alcohols and lateral tension were studied, being the rotation speed determined as causative of this phenomenon. Finally, we studied the more important case of multicomponent samples. In this study, ternary samples made of DOPC, Sphingomyelin and Cholesterol, relevant for lipid raft models, were selected. The corresponding binary samples with Cholesterol were also studied to determine separately the effect of Cholesterol in each of the components (DOPC and SM). Results unambiguously showed that air stable multicomponent lipid bilayers can be prepared by the spin coating technique with structural and mechanical properties remarkably resembling those of the equivalent systems in liquid media, specially on what concerns phase segregation phenomena. In particular, and more importantly, we showed that the ternary mixtures of DOPC/Chol/SM under dry conditions showed also the presence of lipid rafts. In summary, the present thesis has showed that it is possible to prepare lipid bilayer model systems morphologically stable in dry air conditions that present similar topography and mechanical properties than hydrated samples. Therefore it opens the possibility to characterize these systems with nanoscale techniques that until now have not been applied to them, thus offering the possibility to clarify physicochemical properties of lipid bilayer model systems that still today remain unexplored in spite of the vast literature of lipid bilayer model systems. / Les membranes cel•lulars són fluids en 2D heterogenis que presenten estructures a la nanoescala (dominis) de gran interès degut a la seva importància en les funcions de membrana. Com a conseqüència de la inherent complexitat de les membranes naturals, els estudis amb membranes naturals són essencials per tal d’obtenir informació sobre les propietats fisicoquímiques de les membranes. No obstant això, el requeriment de medi líquid, per preservar la integritat de la bicapa lipídica, limita el nombre de tècniques que es poden aplicar en l'estudi de les propietats físiques i químiques de les biomembranes. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar un procediment per preparar bicapes lipídiques model estables en aire i que mostrin propietats fisicoquímiques similars a la dels seus equivalents en medi líquid. Per aquest fi es va utilitzar la tècnica d’spin-coating per preparar les mostres, tant monocomponent (fosfolípids insaturats i saturats) com multicomponent (barreges binàries i models de lipid raft). Les mostres varen ser caracteritzades amb microscòpia de forces atòmiques (AFM) i es va demostrar la seva similitud amb les mostres hidratades tant mecànicament com estructuralment. En resum, enquesta tesi ha demostra que és possible preparar sistemes l model de bicapa lipídica morfològicament estables en aire sec que presenten topografia similar i les propietats mecàniques que les mostres hidratades. Per tant, s'obre la possibilitat de caracteritzar aquests sistemes a nanoescala amb tècniques que fins ara no s'han aplicat a ells, oferint així la possibilitat d'aclarir les propietats fisicoquímiques de sistemes lipídics model bicapa que encara avui romanen inexplorades tot i la vasta literatura del model de bicapa lipídica sistemes.

We looked for new designs to enhance mixing on catalytic chemical reactors. Two models were proposed. The first one, used forced convection as the mixing enhancer and consisted of a stack of corotating disks with the catalytic coating on their surface and which were enclosed in a cilyndrical cavity. Two operation modes were studied for this type of reactor, discontinuous and semicontinuous one. In the semicontinuous mode a flux is fed to the reactor through the external wall. This configuration showed good efficiency compared to other type of reactors. The second model proposed used natural convection as the mixing enhancer. In this case a cubical cavity which had the catalytic surface on the bottom wall, was heated from below which activated the convection in the system leading to the mixing of the fluid in it. It was seen efficiency is determined by flow and mass transfer within boundary layers regions. / Se buscaron nuevos diseños que aumentaran el mezclado en reactores catalíticos. Dos modelos fueron propuestos. El primero, usó convección forzada como el impulsor del mezclado y consistía de una pila de discos corotatorios con el catalizador en sus superficies y los cuales se encontraban dentro de una cavidad cilíndrica. Dos modos de operación fueron estudiados para este tipo de reactor, discontinuo y semicontinuo. En el modo semicontinuo se alimentó un flujo al reactor mediante la pared exterior. Esta configuración mostró una buena eficiencia comparado con otro tipo de reactores. El segundo modelo propuesto usó la convección natural como el impulsor del mezclado. En este caso una cavidad cúbica que tenía el catalizador en su pared inferior, fue calentada por debajo, lo que activaba la convección en el sistema llevando al mezclado del fluido en el mismo. La eficiencia es determinada por la transferencia de flujo y masa dentro de las regiones de capa límite.

Organic photovoltaic (OPV) technology has emerged as a potential cost-effective solution to produce electrical energy. The foreseen low manufacturing costs combined with features as semi-transparency or mechanical flexibility give to OPV devices a strong potential for industrial applicability. However, the commercial implementation of this technology faces the challenge of increasing the relatively low power conversion efficiency of the current state-of-the-art OPV devices. This thesis presents an optical based approach to enhance the performance of OPV devices by effectively controlling sunlight photons. Such control is possible because of the coherent interaction between light and the multilayered structure constituting the OPV device. Accordingly, we studied the dependence of the optical field distribution inside the solar cell relative to the optical properties of the different layers including their refractive index , extinction coefficient , and thickness. This optical study led to the prediction of optimal OPV device structures. The first implementation of a photon control was done by changing the relative thicknesses of the different layers in the device. An optimal combination of thicknesses was found and confirmed experimentally. A significant reduction of the energy lost in the device was demonstrated. As a consequence, the photon harvesting improved, which led to a close matching between the external and internal quantum efficiencies in a broad wavelength range. A second photon control strategy to enhance the performance of OPV cells was implemented by modifying the complex refractive index of the nonactive device layers. Both and were changed in specific layers by considering new materials. Three different cases were considered: in the first example a BCP layer was used to replace calcium as electron transporting layer. The parasitic absorption induced by the highly absorptive calcium layer was diminished almost to zero after replacing this layer with BCP, a material whose extinction coefficient is null for a broad wavelength range. A 19% performance enhancement was demonstrated. In the second example, an ultrathin nickel oxide layer was used to replace the commonly used PEDOT layer as hole transporting layer. Very thin layers of nickel oxide could be used for a better photon distribution and harvesting in the photoactive layer. In the last case, a metallic cupper/nickel semi-transparent electrode was used to replace an ITO electrode. This new metallic electrode in combination with the back aluminum electrode enabled the formation of an optical cavity which resulted in a stronger localization of the field in the active layer. Finally, several of the concepts considered above to effectively localize the field in the active layer were used in conjunction with a photonic structure integrated in the OPV architecture to achieve an optically optimized semi-transparent OPV device. In particular, a one-dimensional non-periodic photonic crystal was designed and added to a semi-transparent OPV device in order to re-harvest UV and IR photons while keeping a high transmission for the visible photons. A power conversion efficiency enhancement larger than 56% was achieved while maintaining the device luminosity around 30%. An additional feature of the integration of such photonic crystal was the possibility of tuning the color transmitted by the device which was also demonstrated. In summary, in this thesis we demonstrate experimentally and theoretically that optics plays a very relevant role for enhancing the power conversion efficiency of OPV devices. The methods presented are perfectly compatible with a more oriented material science approach to achieve the final objective of obtaining a performance-competitive OPV technology. / La tecnología fotovoltaica orgánica (OPV) ha surgido como una solución potencial rentable para producir energía eléctrica. Los bajos costos de manufactura previstos combinados con propiedades como semi-transparencia o flexibilidad mecánica le dan a los dispositivos OPV un gran potencial de ser aplicados industrialmente. Sin embargo, la implementación comercial de esta tecnología se enfrenta al reto de incrementar la relativamente baja eficiencia de los dispositivos OPV del estado del arte. Esta tesis presenta una aproximación óptica para aumentar la eficiencia de los dispositivos OPV mediante un control efectivo de los fotones de la radiación solar. Tal control es posible debido a la interacción coherente entre la luz y la estructura de multi-capas que constituye el dispositivo OPV. Consecuentemente, en esta tesis se estudia la dependencia de la distribución del campo óptico dentro de la celda solar con las propiedades ópticas de las diferentes capas. Entre esas propiedades se incluyen el índice de refracción , el coeficiente de extinción y espesor de cada una de las capas. Este estudio óptico ha permitido predecir estructuras óptimas para los dispositivos OPV. La primera implementación del control de fotones fue hecha al cambiar los espesores relativos de las diferentes capas en el dispositivo. Una combinación óptima fue encontrada y confirmada experimentalmente. Una reducción significativa de la energía perdida por reflexión especular fue demostrada y como consecuencia, la recolección de fotones fue mejorada lo cual condujo a la concordancia entre las eficiencias cuánticas externa e internas en un amplio rango de longitudes de onda. Una segunda estrategia de control de fotones para mejorar el desempeño de los dispositivos OPV fue implementada tras modificar las propiedades ópticas de las capas en el dispositivo distintas a la capa activa. Tanto como fueron cambiados en capas específicas tras considerar nuevos materiales. Tres casos diferentes fueron considerados: en el primer caso, una capa de BCP fue usada para reemplazar el calcio como capa transportadora de electrones. La absorción parásita inducida por el elvevado coeficiente de extinción de la capa de calcio fue reducida casi hasta cero tras reemplazar esta capa con una de BCP, un material cuyo coeficiente de absorción es prácticamente cero para un amplio rango de longitudes de onda. Se demostró un aumento en el desempeño de los dispositivos de hasta el 19%. En el segundo ejemplo, una capa ultra-delgada de óxido de níquel fue usada para reemplazar la comúnmente empelada capa de PEDOT como capa transportadora de huecos. Estas capas de óxido de níquel permitieron una mejor distribución y recolección de fotones en la capa foto-activa. En el último caso, un electrodo semi-transparente hecho de cobre/níquel fue usado para reemplazar un electrodo de ITO. Este nuevo electrodo metálico en combinación con el electrodo de aluminio posterior del dispositivo permitió la formación de una cavidad óptica la cual resultó en una mayor localización del campo en la capa activa. Finalmente, varios de los conceptos considerados anteriormente para localizar efectivamente el campo en la capa activa fueron usados en combinación con una estructura fotónica integrada en la estructura para obtener un dispositivo OPV semitransparente ópticamente optimizado. Concretamente, un cristal fotónico unodimensional no-periódico fue diseñado y añadido al dispositivo OPV semi-trasparente con la intención de recolectar fotones UV e IR y al tiempo manteniendo una alta transmisión de los fotones visibles. Una mejora en el desempeño de los dispositivos superior al 56% fue obtenida preservando la luminosidad del dispositivo alrededor del 30%. Una propiedad adicional aportada por la integración de tales cristales fotónicos fue la posibilidad de modular el color transmitido por el dispositivo lo cual fue también demostrado. En síntesis, en esta tesis se demostró experimental y teóricamente que la óptica juega un papel relevante para aumentar la eficiencia de los dispositivos OPV. Los métodos presentados son perfectamente compatibles con la aproximación que se realiza desde la perspectiva de la ciencia de los materiales al objetivo final de obtener una tecnología OPV competitiva.

Cell migration is a fundamental element in a variety of physiological and pathological processes. Alteration of its regulatory mechanisms leads to loss of adhesion and increased motility, critical steps in the initial stages of metastasis. Consequently, cell migration has become the focus of intensive experimental and theoretical studies; however the understanding many of its mechanisms remains elusive. Cell migration is the result of a periodic sequence of protrusion, adhesion remodeling and contraction stages that leads to directed movement towards external stimuli. The spatio-temporal coordination of these processes depends on the activation of the signaling networks that regulate them at specific subcellular locations. Particularly, the family of small RhoGTPases plays a central role in regulating cell polarization, the formation of adhesion sites and the generation of the forces that drive motion. Theoretical models based on an independent description of these processes have a limited capacity to predict cellular behavior observed in vitro, since their functionality depends on the cross-regulation between their signaling pathways. This thesis presents a model of cell migration that integrates a description of force generation and cell deformation, adhesion site dynamics and RhoGTPases activation. The cell is modeled as a viscoelastic body capable of developing traction and protrusion forces. The forces are determined by the activation level of the RhoGTPases, whose distribution in the cell is described by a set of reaction-diffusion equations. Adhesion sites are modeled as punctual clusters of transmembrane receptors that dynamically bind and unbind the extracellular matrix depending on the force transimtted to them and the distance with ligands coating the substrate. On the theoretical level, the major findings relate the topology of a Crosstalk Scheme and the properties inherited by the associated reaction network as a gradient sensing and regulatory system: reversible polarization, adaptation to uniform stimulus, multi-stimuli response and amplification. Models formulated according to these principles remain functional against the biological diversity associated to different cell types and match the observed behavior in Chemotaxis essays: the capacity of cells to detect shallow gradients, polarize without featuring Turing patterns of activation, and switch the direction of migration after the stimulus source is changed. The biological implications challenge a long held view on the mechanisms of RhoGTPase crosstalk and suggests that the role of GDIs, GEFs and GAPs has to be revised, as supported by recent experimental evidence. In addition, the model recapitulates a continuous transition from the tear-like shape adopted by neutrophiles to the fan-like shape of keratocytes during migration by varying the magnitudes of protrusion and contraction forces or, alternatively, the strength of RhoGTPase Crosstalk. The second mechanism represents a novel explanation of the different morphologies observed in migrating cells. On cell mechanosensing, a new hypothesis is proposed to explain how cells sense the mechanical properties of the ECM. The hypothesis provides a unifying explanation to apparently conflicting observations on force development and growth in real time at cell Focal adhesions, previously attributed to differences in experimental set-ups or cell types studied. An interpretation for the observed relationships between polarization time, migration speed, mechano-sensing limits and substrate rigidity follows from this hypothesis. Further, the theory directly suggests the currently unknown mechanisms that could explain the universal preference of cells (bar neurons) to migrate along stiffness gradients, and for the first time, a plausible biological function for the existence of this phenomenon. It is known as Durotaxis, and its abnormal regulation has been associated to the malignant behaviour of cancer cells.