We wish to gratefully acknowledge the original inspiration and extensive support provided to us toward the creation of this system from Dr. Oliver Kreylos of the UC Davis Institute for Data Analysis and Visualization. His advice and assistance were instrumental to our success.
We also wish to thank the NSF BRIGE program for providing funding for this project. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. 1032653.

<ol>
	<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering.">The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).</li><li>Flores, C., Matlock, T., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis.">Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+goggle+source.">3D goggle source.</a> , (2013).</li><li>. &#8220;3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol&#8221; and &#8220;3D/VR Visualization System &#8211; CNT Modeling Example&#8221; documents Available from: <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013)</li><li>. MDCASK molecular dynamics code Available from: <a target="_blank" href="https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask">https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask</a> (2013)</li><li>Feuston, B. P., Garofalini, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Empirical+three-body+potential+for+vitreous+silica.">Empirical three-body potential for vitreous silica.</a> J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).</li><li>D&#225;vila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure.">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li><li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. , (2013).</li><li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization.">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, .</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=University+of+California+Television+(UCTV).">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).</li></ol>

تعلن المؤلفين أنه ليس لديهم المصالح المالية المتنافسة.

العناصر الحاسمة في نجاح تركيب واستخدام نظام التصور 3D / VR هي مفصلة في البيئة المادية واعتبارات التصميم واعتبارات خاصة في المواد التكميلية. وتشمل الاعتبارات الهامة تركيب ارتفاع شاشة 3D لراحة طويلة الأجل أو استخدام الجذور، إلى أقصى حد تتبع كاميرا محمولة ارتفاع...

علوم المواد هو حقل متعدد التخصصات التي تدرس العلاقات هيكل الملكية في مسألة لتطبيقها على العديد من مجالات العلوم والهندسة. كما يتم التحقيق العلاقات هيكل الملكية من خلال محاكاة الكمبيوتر بالإضافة إلى التجريب، والأدوات الحسابية توفر ميزات التكميلية التي يمكن أن تعزز الجهود البحثية. بينما المواد متناهية الصغر هي التي تهم العلماء ولها قيمة التعويض عن الأثر الاجتماعي المحتمل، وهذا النظام حجم محفوف العديد من التحديات وجدت وخاصة في التجريب. المحاكاة الحاسوبية تسمح للعلماء والمهندسين لأداء الاختبارات المتخصصة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من بيئات محدودة فقط من الوقت والموارد الحاسوبية. ديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة تسمح الوقت المناسب والمقاييس طول لدراسة الظواهر ذات الاهتمام في العديد من المواد النانوية. المحاكاة توسيع دراسة المواد عن طريق إزالة القيود رانه المختبر المادي، ولكن العديد من الأدوات الحسابية تفتقر الوصول إليها، واجهات بديهية للأبحاث. تعزيز مع عرض رسومية من النماذج، والخوارزميات الحسابية كفاءة، وحدة المعالجة الرسومية (GPU) الحوسبة المستندة تكمل جهود محاكاة الحالية. هذه الأجهزة رسومات جديدة مع الجمع بين وحدة المعالجة المركزية بكفاءة للسماح حسابات مكثفة حسابيا التي يتعين إنجازها من قبل GPU. والنتيجة هي تسريع الفعال لحساب بناء على أمر من 10X يرافقه انخفاض في استهلاك الطاقة يصل إلى 20x و. وكان الهدف من هذا المشروع البحثي لتطوير وتنفيذ أداة جديدة لتحقيق النانو الذي يربط مباشرة واجهة تفاعلية لمحاكاة MD، تحليل علوم المواد والتصور 3D. وقد استخدم هذا النظام المبتكر مع قدرات التحليل فريدة وقوية للأبحاث النانو والتعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد، مع آثار مباشرة ليختلط أخرى<html> الحقول STEM ated مثل تكنولوجيا النانو، والفيزياء، والأحياء، والجيولوجيا، والاستفادة القصوى في التعليم والمجتمع. تم تنفيذ نظام التصور 3D / VR على حد سواء أداة البحث والتدريس التي يسمح بإنشاء والتلاعب هياكل ذرية في بيئة تفاعلية الواقع الافتراضي 3D (VR). تم إنشاء نظام من مجموعة من الاسعار المنخفضة نسبيا والمكونات يمكن الوصول إليها وفقا لنموذج ضعت أصلا من قبل الدكتور أوليفر Kreylos في جامعة كاليفورنيا في ديفيس 1. وفيما يلي صورة للتخطيط 3D النهائي / VR نظام التصور، مع عناصر هامة المسمى (الشكل 1). أنشئ هذا النظام في الأصل لأغراض التعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد في عام 2009. نتج عن تنفيذ 3D الأصلي / نظام VR في منشورات لاستعراض الأقران 2-3. ويلخص الجدول 1 أدناه الخصائص الرئيسية لكل عنصر من عناصر النظام التصور 3D / VR. ntent &quot;FO: المحافظة على together.within صفحة =&quot; دائما &quot;&gt; <img alt="الشكل (1)" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> الشكل 1. 3D / VR نظام التصور والمكونات الرئيسية (يسار) في مختبر أبحاث دافيلا في UCM والأجهزة التصور (يمين). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> بند </td><td> عنصر </td><td> وظائف في النظام </td></tr><tr><td> A </td><td> TV 3D </td><td> 3D عرض الهياكل الجزيئية غرار والقوائم على الشاشة. </td></tr><tr><td> B </td><td> الأشعة تحت الحمراء (IR) كاميرات تتبع 4 </td><td> كاميرات الأشعة تحت الحمراء مواقف مسار ييموت و 3D نظارات عرض في مساحة العمل المستعمل أمام التلفزيون 3D، مما يسمح فيرالتلاعب توال 3D هياكل المعروضة. </td></tr><tr><td> C </td><td> تتبع PC </td><td> يدير IR البرمجيات تتبع الكاميرا وينقل ييموت و 3D مواقف حملق إلى جهاز الكمبيوتر النمذجة. </td></tr><tr><td> D </td><td> ييموت </td><td> تستخدم لإدارة على الشاشة من البرمجيات النمذجة والتلاعب الهياكل في بيئة افتراضية 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> نظارات 3D 5 </td><td> تزامن ذلك مع إشارة 3D TV IR، والسماح عرض 3D هيكل. موقف تتبعها كاميرات الأشعة تحت الحمراء للدقيقة عرض 3D. </td></tr><tr><td> F </td><td> PC النمذجة </td><td> يدير NCK / VRUI 3D النمذجة وعرض البرنامج 6، يقبل حملق ييموت الموقف والسيطرة / إشارات لخلق دقيق 3D عرض التركيب الجزيئي. </td></tr></tbody></table> الجدول 1. وظيفة من العناصر الرئيسية للنظام التصور 3D / VR في UCM. Descriptioن من 3D / VR نظام التصور ومكوناتها الأساسية: 3D / VR التصور نظرة عامة على نظام - و3D / VR نظام التصور يتكون من مجموعة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وتتبع البرامج التي تعمل جنبا إلى جنب مع 3D نماذج البرمجيات للسماح للمستخدم لإنشاء تفاعلي 3D الهياكل الجزيئية. كاميرات الأشعة تحت الحمراء والبرمجيات تتبع الموقع 3D من ييموت و 3D نظارات المشاهدة باستخدام علامات الأشعة تحت الحمراء، وتمرير ذلك إلى نماذج البرمجيات. برنامج النمذجة يستخدم إشارات التحكم ييموت والحركة لتوليد الهياكل الجزيئية 3D للعرض باستخدام مزيج من التلفزيون شكل واسع 3D مع نظارات 3D قادرة متزامنة وتتبعها. وهذا يؤدي إلى 3D الواقع الافتراضي مساحة العمل من خلاله يمكن للمستخدم إنشاء حيوي والتلاعب الهياكل الجزيئية في الظاهرية التي تعكس السلوك المادي في العالم الحقيقي القائم على القوات بين ذرية تستخدم في نماذج البرمجيات (الشكل 2). considerati خاصةإضافات لإقامة هذا النظام يمكن العثور عليها في المواد التكميلية. <img alt="الشكل 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> الشكل 2. التحقيق في المواد متناهية الصغر السيليكا باستخدام نظام التصور 3D / VR. (أ) بإنشاء الباحث نموذجا cristobalite الأولي (بلوري) قبل المحاكاة المعتمدة على GPU. (ب) عند إجراء MD محاكاة الإجراء تذوب إخماد على النموذج المبين في الفقرة (أ)، باحث آخر يحصل على نموذج زجاج السيليكا (غير البلورية). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> 3D / VR التصور تعزيز النظام - MD محاكاة القدرة: ديناميات الجزيئية يتم تنفيذ أنظمة المحاكاة عادة فيأزياء متعددة العقدي، وهذا هو، يتم توزيع عبء العمل كبير أو بشكل متوازي بين عشرات الآلاف من المعالجات. مؤخرا، ظهرت فرص إضافية للحوسبة العلمية المتسارعة من التطورات في معالجة الرسومات الكمبيوتر. وتشمل هذه التطورات واجهة البرنامج يسمح العلماء للاستفادة من طبيعة موازية للغاية من قوة المعالجة الجوهرية لرقائق الرسومات. مع ظهور حساب العمارة جهاز الموحدة أو CUDA 7، يمكن للعلماء استخدام وحدات معالجة الرسومات 8 لتعزيز السرعة التي يتم حل المشاكل مع الحد من تكلفة البنية التحتية. قد يكون للGPU نموذجي ما يعادل مئات الآلاف من النوى أو &quot;العقد&quot; لمعالجة المعلومات، ولأن هذه يمكن لكل استخدامها في موازاة ذلك، قد توفر حلا مشفرة جيدا حتى 1،000x تسارع الخرج ضد نظيرتها متعددة النواة . رغم انه من غير مناسبة تماما كل مشكلة لهذا النهج، شهدت المحاكاة MD الحالية تصل إلى 15مكاسب العاشر من أداء نقل 9. تفاصيل عن 3D / VR نظام التصور تعزيز MD-GPU يمكن العثور عليها في المواد التكميلية.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Samsung 61&#34; 3D-capable high definition DLP TV</td>
			<td>Samsung</td>
			<td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Large format 3D-capable TV)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alienware Area51 750i modeling computer</td>
			<td>Alienware</td>
			<td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.1)&#160; (Modeling computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HP EliteBook 8530w tracking computer</td>
			<td>HP</td>
			<td><a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3)&#160; (Tracking computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>V100:R2 IR tracking cameras (3)</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]&#160; (Tracking cameras)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OptiTrack Tracking Tools IR tracking software</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]&#160; (Tracking software)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Goggles and 3D TV IR sync emitter</td>
			<td>Ilixco</td>
			<td><a href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]&#160; (3D goggles)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiimote 3D controller</td>
			<td>Nintendo</td>
			<td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Wiimote)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]&#160; (VRUI, NCK)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&#160;</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]&#160; (LAMMPS)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanospringCarver program code and files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB GUI files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomistic bulk glass input file</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

novel 3d/vr interactive environment for md simulations, visualization and analysis

التطور المتزايد للحوسبة (الأجهزة والبرمجيات) في العقود الأخيرة قد أثر البحث العلمي في العديد من المجالات بما في ذلك علوم المواد، وعلم الأحياء والكيمياء والفيزياء وغيرها. ويرد النظام الحسابي الجديد لمحاكاة دقيقة وسريعة و3D / VR التصور النانو هنا، وذلك باستخدام المصادر المفتوحة LAMMPS ديناميات الجزيئية (MD) برنامج كمبيوتر. وتستخدم هذه الطريقة الحسابية بديل المعالجات الرسومية الحديثة والتكنولوجيا NVIDIA CUDA ورموز علمية متخصصة للتغلب على الحواجز سرعة المعالجة المشتركة لأساليب الحوسبة التقليدية. جنبا إلى جنب مع نظام الواقع الافتراضي المستخدمة لنمذجة المواد، هذا التعزيز يسمح بإضافة تسارع القدرة محاكاة MD. الدافع هو توفير بيئة بحثية جديدة في نفس الوقت الذي يسمح التصور، والمحاكاة والنمذجة والتحليل. هدف البحث إلى تحقيق هيكل وخصائص ن غير العضويةanostructures (على سبيل المثال، nanosprings زجاج السيليكا) في ظل ظروف مختلفة باستخدام هذا النظام الحسابي مبتكرة. العمل المقدم يحدد وصفا للنظام التصور 3D / VR والمكونات الأساسية، لمحة عامة عن الاعتبارات الهامة مثل البيئة المادية، وتفاصيل عن الإعداد واستخدام نظام الرواية، وإجراء عام لتعزيز MD المعجل، المعلومات التقنية ، وتصريحات ذات الصلة. تأثير هذا العمل هو إنشاء نظام حاسوبي فريد الجمع بين المواد النانوية محاكاة والتصور والتفاعل في بيئة افتراضية، والتي هي على حد سواء أداة البحث والتدريس في جامعة كاليفورنيا في الرحمة.

هذا 3D / VR نظام التصور فرصا جديدة لإجراء دراسات المواد العلمية. كما تعمل هذه البيئة غامرة في الوقت الحقيقي، في شكل مدخلات 3D، والعرض، وقدم الباحث بأداة nanoscaled تفاعلية بالكامل 2. باتباع بروتوكول المعروضة هنا، تم إنشاء nanoribbon السيليكا حلزونية في هذا الشكل خطوة بخطوة. ?...

Watch this Scientific Journal Video about Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis at JoVE.com

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

رواية 3D / VR بيئة تفاعلية لMD المحاكاة، والتصور والتحليل

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

novel-3dvr-interactive-environment-for-md-simulations-visualization

Research

JoVE Journal

Engineering

11.8K Views.  University of California Merced. A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

Video: Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

تصنيع وتشغيل والتصور التدفق في سطح الموجة الصوتية يحركها الموائع الدقيقة الصوتية معاكس

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing applications.&#160; For predictive simulations, it has become increasingly important to be able to model the structure of nanohelices accurately.&#160; To study the effect of local structure on the properties of these complex geometries one must develop realistic models.&#160; To date, software packages are rather limited in creating atomistic helical models.&#160; This work focuses on producing atomistic models of silica glass (SiO2) nanoribbons and nanosprings for molecular dynamics (MD) simulations. Using an MD model of &#8220;bulk&#8221; silica glass, two computational procedures to precisely create the shape of nanoribbons and nanosprings are presented.&#160; The first method employs the AWK programming language and open-source software to effectively carve various shapes of silica nanoribbons from the initial bulk model, using desired dimensions and parametric equations to define a helix.&#160; With this method, accurate atomistic silica nanoribbons can be generated for a range of pitch values and dimensions.&#160; The second method involves a more robust code which allows flexibility in modeling nanohelical structures.&#160; This approach utilizes a C++ code particularly written to implement pre-screening methods as well as the mathematical equations for a helix, resulting in greater precision and efficiency when creating nanospring models.&#160; Using these codes, well-defined and scalable nanoribbons and nanosprings suited for atomistic simulations can be effectively created.&#160; An added value in both open-source codes is that they can be adapted to reproduce different helical structures, independent of material.&#160; In addition, a MATLAB graphical user interface (GUI) is used to enhance learning through visualization and interaction for a general user with the atomistic helical structures.&#160; One application of these methods is the recent study of nanohelices via MD simulations for mechanical energy harvesting purposes.

Accurate modeling of nanohelical structures is important for predictive simulation studies leading to novel nanotechnology applications.&#160; Currently, software packages and codes are limited in creating atomistic helical models.&#160; We present two procedures designed to create atomistic nanohelical models for simulations, and a graphical interface to enhance research through visualization.

Nanohelices قابلة للدراسات التنبؤية وتعزيز التصور 3D

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

انتقائية المساحة تعديل السيليكون بلل السطح بواسطة الليزر النبضي للأشعة فوق البنفسجية تشعيع في البيئة السائلة

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

Plasmonic اصطياد والإفراج عن النانوية في بيئة المراقبة

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

تصنيع درجة الحرارة عالية من ذات البنية النانومترية اليتريا-استقرت-زركونيا (YSZ) السقالات من قبل<em&gt; في الموقع</em&gt; الكربون النموذجيه Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer (IBEX) for Radiomics

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's graphical user interface (GUI) and to demonstrate how IBEX calculated features have been used in clinical studies. IBEX allows for the import of DICOM images with DICOM radiation therapy structure files or Pinnacle files. Once the images are imported, IBEX has tools within the Data Selection GUI to manipulate the viewing of the images, measure voxel values and distances, and create and edit contours. IBEX comes with 27 preprocessing and 132 feature choices to design feature sets. Each preprocessing and feature category has parameters that can be altered. The output from IBEX is a spreadsheet that contains: 1) each feature from the feature set calculated for each contour in a data set, 2) image information about each contour in a data set, and 3) a summary of the preprocessing and features used with their selected parameters. Features calculated from IBEX have been used in studies to test the variability of features under different imaging conditions and in survival models to improve current clinical models.

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer IBEX for Radiomics

We describe IBEX, an open-source tool designed for medical imaging radiomics studies, and how to use this tool. In addition, some published works that have used IBEX for uncertainty analysis and model building are showcased.

المبادئ التوجيهية وتجربة استخدام التصوير مستكشف العلامات البيولوجية (الوعل) لراديوميكس

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's ...

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly dominate the safety and performance of an existing concrete structure. As a result, it is important to measure the geometry and amount of corrosion of a steel bar in a structure properly to assess the residual bearing capacity and service life of the structure. This paper introduces and compares five different methods for measuring the geometry and amount of corrosion of a steel bar. A single 500 mm long and 14 mm diameter steel bar is the specimen that is subjected to accelerated corrosion in this protocol. Its morphology and the amount of corrosion were carefully measured before and after using mass loss measurements, a Vernier caliper, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT). The applicability and suitability of these different methods were then evaluated. The results show that the Vernier caliper is the best choice for measuring the morphology of a non-corroded bar, while 3D scanning is the most suitable for quantifying the morphology of a corroded bar.

This paper measures the geometry and the amount of corrosion of a steel bar using different methods: mass loss, calipers, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT).

تحليل تطبيق أساليب التقييم لمعلمات المورفولوجية لقضبان الصلب المتآكلة

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It is intended as a practical and reproducible procedure to identify macroscopic cracks at an early stage and monitor crack propagation during fatigue tests. It consists of strain field measurements at the weld using DIC. Images are taken at fixed load cycle intervals. Cracks become visible in the computed strain field as elevated strains. This way, the whole width of a small-scale specimen can be monitored to detect where and when a crack initiates. Subsequently, it is possible to monitor the development of the crack length. Because the resulting images are saved, the results are verifiable and comparable. The procedure is limited to cracks initiating at the surface and is intended for fatigue tests under laboratory conditions. By visualizing the crack, the presented procedure allows direct observation of macrocracks from their formation until rupture of the specimen.

Digital image correlation is used in fatigue tests on a resonance testing machine to detect macroscopic cracks and monitor crack propagation in welded specimens. Cracks on the specimen surface become visible as increased strains.

رصد الكراك في اختبار التعب الرنين من العينات الملحومة باستخدام ارتباط الصورة الرقمية

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...

Surgery and Sample Processing for Correlative Imaging of the Murine Pulmonary Valve

The underlying causes of heart valve related-disease (HVD) are elusive. Murine animal models provide an excellent tool for studying HVD, however, the surgical and instrumental expertise required to accurately quantify the structure and organization across multiple length scales have stunted its advancement. This work provides a detailed description of the murine dissection, en bloc staining, sample processing, and correlative imaging procedures for depicting the heart valve at different length scales. Hydrostatic transvalvular pressure was used to control the temporal heterogeneity by chemically fixing the heart valve conformation. Micro-computed tomography (&#181;CT) was used to confirm the geometry of the heart valve and provide a reference for the downstream sample processing needed for the serial block face scanning electron microscopy (SBF-SEM). High-resolution serial SEM images of the extracellular matrix (ECM) were taken and reconstructed to provide a local 3D representation of its organization. &#181;CT and SBF-SEM imaging methods were then correlated to overcome the spatial variation across the pulmonary valve. Though the work presented is exclusively on the pulmonary valve, this methodology could be adopted for describing the hierarchical organization in biological systems and is pivotal for the structural characterization across multiple length scales.

Here, we describe a correlative workflow for the excision, pressurization, fixation, and imaging of the murine pulmonary valve to determine the gross conformation and local extracellular matrix structures.

الجراحة ومعالجة العينة للتصوير المترابط للصمام الرئوي مورين

The underlying causes of heart valve related-disease (HVD) are elusive. Murine animal models provide an excellent tool for studying HVD, however, the ...

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also research. Interactive and visualizing features, including theory-guided algorithm implementation, web-based algorithm design, customizable monitoring interface, and three-dimensional (3-D) virtual test rigs are discussed. To illustrate the features and functionalities of the proposed laboratories, three examples, including the first-order system exploration using a circuit-based system with electrical elements, web-based control algorithm design for virtual and remote experimentation, are provided. Using user-designed control algorithms, not only can simulations be conducted, but real-time experiments can also be conducted once the designed control algorithms have been compiled into executable control algorithms. The proposed online laboratory also provides a customizable monitoring interface, with which users can customize their user interface using provided widgets such as the textbox, chart, 3-D, and camera widget. Teachers can use the system for online demonstration in the classroom, students for after-class experimentation, and researchers to verify control strategies.

This work describes an online experimentation system that provides visualized experiments, including the visualization of theories, concepts, and formulas, visualizing the experimental process with three-dimensional (3-D) virtual test rigs, and visualizing the control and monitoring system using widgets such as charts and cameras.

نظام التجريب التفاعلي والمصور عبر الإنترنت للتعليم والبحث الهندسي

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...