Die Autoren wollen Tim Allis für seine Unterstützung bei diesem Projekt danken an der UC Merced. Die NSF-MÜNZEN-Programm an der UCM unterstützt (KAM) in einem frühen Teil dieser Arbeit. Eine NSF-BRIGE Auszeichnung unterstützt Co-Autoren (BND und KAM), die Bereitstellung von Mitteln für diese Arbeit und Reisekosten zu Konferenzen. Die Forschungsgruppe möchte vor allem die National Science Foundation für die Finanzierung dieser Arbeit über eine BRIGE Auszeichnung anzuerkennen. Dieses Material basiert auf der Arbeit von der National Science Foundation unter Grant No 1032653 unterstützt wird.

1. Vorbereiten NanospringCarver Dateien und Starten von MATLAB auf einem Linux-PC Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer entwickelt, um die Verwendung der Dateien online 26 vorzunehmen. <ol><li> Entpacken Sie die Datei nanosprings.tar.gz Archiv in das &quot;Home&quot; oder einer anderen bevorzugten Verzeichnis. <ol><li> Laden Sie die nanosprings.tar.gz Dateiarchiv aus dem Web Repository 26. </li><li> Suchen Sie die heruntergeladene Archiv und verschieben Sie sie in einer bevorzugten Arbeitsverzeichnis mit dem Titel &quot;Dokumente / nano&quot;. </li><li> Rechts-Klick nanosprings.tar.gz und wählen Sie &quot;hier entpacken&quot; aus dem Rechtsklick-Kontextmenü. </li></ol></li><li> Überprüfen Sie, ob alle erforderlichen Dateien im aktuellen Verzeichnis vorhanden sind. Eine Liste dieser Dateien und deren Zweck folgt: Makefile - Compile-Datei für nanosprings.cpp und Point.cpp manuell verwaltet Nanosprings.fig -MATLAB GUI Interna Nanosprings.m -MATLAB GUI-Code Point.cpp - Point (Atom) Klassendefinition Point.h - Point (Atom) Klassenheader schnitzen - Stand-alone-nano ausführbaren example.par - Beispiel-Parameterdatei glasscube.inp - glasscube Datendatei nanosprings.cpp - Hauptnano Code nanosprings_diagram.jpg - Beispiel nanospring zur Anzeige nanospringsmex.cpp - MATLAB integrierten nanosprings.cpp nanospringsmex.mexglx - MATLAB integrierte nano ausführbaren Hinweis: Der Benutzer muss die &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; ausführbare Datei für die jeweilige Linux-Rechner verwendet wird (32-Bit-Version in diesem Beispiel) erstellen. Wenn dies noch nicht geschehen ist, prüfen Sie den Zugriff auf die MATLAB &quot;mex&quot; Compilerindem Sie auf der Kommandozeile &quot;, die mex&quot; und Überprüfung der Existenz des Programms. Überprüfen Sie auch Zugriff auf die MATLAB-Programm, indem Sie auf der Kommandozeile &quot;, die MATLAB&quot;. Verwenden einer Befehlszeile auf &quot;mex nanospringsmex.cpp Point.cpp&quot; geben die &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; ausführbare MATLAB integrierten NanospringCarver Datei zu erzeugen, wie in der Anleitung unten. Obwohl nicht für die GUI-Schnittstelle erforderlich ist, können Sie falls gewünscht ein Stand-alone-Version des NanospringCarver Programm durch Eingabe von &quot;make&quot; in einer Befehlszeile erstellt werden. Dies wird die nanosprings.cpp und Point.cpp Programmelemente zusammen kompilieren, um die &quot;schnitzen&quot; ausführbare Datei zu erstellen. In diesem Tutorial, der &quot;glasscube.inp&quot; Datei enthält Positionsinformationen für 192.000 Silicium- und Sauerstoffatomen representin<html> ga Quarzglas-Modell, wobei jede Zeile ein Atom enthält, ID, Atomtyp und x, y, z-Koordinaten für das Atom. Die erste Zeile der Datei ist die Gesamtatomzahl (192.000). Die Atomkoordinaten in dieser Datei sind relative Werte, die, wenn sie von 0,716 multipliziert würde Nanometer große Entfernungen übermitteln. </li><li> Auf dem Desktop, öffnen Sie ein Terminal-Fenster. Auf vielen Linux-Versionen erreichen dies durch gleichzeitiges Drücken der &quot;Strg&quot;, &quot;Alt&quot; und Schlüssel &quot;T&quot;. </li><li> Ändern Sie das Verzeichnis in den Ordner, in den die nanoProjektDateien wurden von Tipp extrahiert: cd Documents / nano / </li><li> Als nächstes führen Sie den Befehl, um die binäre für das System durch Typisierung zu kompilieren: mex nanospringsmex.cpp Point.cpp </li><li> Weiter zu initiieren MATLAB durch Eingabe von MATLAB auf der Kommandozeile </li></ol> 2. Ändern und über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit dem NanospringCarver Programm ove_content &quot;&gt; Gehen Sie folgendermaßen mit den Dateien online 26 vorgesehen. <ol><li> Öffnen Sie die Führung in MATLAB durch Anklicken des GUIDE Symbol in der oberen linken Leistenbereich (Abbildung 2), um ein neues Fenster mit dem GUIDE schnellen Start (Abbildung 3) anzuzeigen. </li></ol><img alt="Figur 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" /> Abbildung 2: MATLAB Benutzeroberfläche zeigt, wie MATLAB GUIDE öffnen. <img alt="Figur 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" /> Abbildung 3: MATLAB GUIDE Schnittstelle Initialisierung. <ol start="2"><li> Verwenden Sie die &quot;Open Existing GUI&quot; Registerkarte (Abbildung 4), um eine bestehende Figur ändern. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Durchsuchen&quot;, um für die bestehende GUI suchenAbbildung modifiziert werden. Nachdem Sie die Zahl Datei (Nanosprings.fig, siehe blaue Box), klicken Sie auf &quot;Öffnen&quot; auf beiden Fenstern, die ein neues Fenster mit der GUI Abbildung anzuzeigen. Suchen Sie die Tasten zur Verfügung für GUI-Erstellung auf der linken Seite (Abbildung 5) verwendet werden. </li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" /> Abbildung 4: MATLAB GUIDE-Schnittstelle zeigen, wie man eine bestehende GUI Figur Datei zu öffnen. <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" /> Abbildung 5: MATLAB GUIDE Schnittstelle zeigt Werkzeuge zum Ändern eines vorhandenen GUI Figur. <ol start="3"><li> Um die GUI auszuführen, klicken Sie auf &quot;Ausführen&quot; im Rahmen der &quot;Menü Extras &quot;. Dann klicken Sie auf &quot;Ja&quot;, wenn ein Pop-up-Fenster aufgefordert, ob die Figur vor dem Ausführen zu speichern. Ein neues Fenster zeigt die modifizierte GUI. </li><li> Erstellen Sie gegebenenfalls eine andere GUI für einen anderen spezifischen Materials mit diesen GUI als Beispiel. </li><li> So richten Sie das Beispiel auszuführen, klicken Sie zuerst auf den Button &quot;Select Input Modelldatei&quot; an der Spitze der GUI und navigieren Sie zu der Datei &quot;glasscube.inp&quot;. Wählen Sie diese Datei und klicken Sie auf &quot;Öffnen&quot;, um das Browser-Fenster zu schließen. Die ausgewählte Eingabedatei und den Pfad, um es sollte nun in der GUI-Fenster erscheint auf der rechten Seite der &quot;Selected Eingabemodelldatei&quot; (Bild 6). </li></ol><img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" /> Abbildung 6: Screenshot der Verwendung GUI, um ein Beispiel Kieselsäure nanospring Modell erstellen. <ol start="6"><li> Als Nächstes verwenden Sie die Schaltfläche &quot;Durchsuchen&quot; im Abschnitt &quot;Output-Modell&quot; zu suchen und wählen Sie das Verzeichnis, um das Ausgangsmodell in speichern. Stellen Sie sicher, dass die Ausgabe-Verzeichnis wird aktiv, um für den Lauf ausgewählt aktiviert sein, auch wenn es ein Ausgabeverzeichnis bereits in der Begleit Fenster auf der rechten Seite dieses Buttons aufgelistet. Hinweis: Die &quot;Erweiterte Parameter Mindestabstand&quot; Wert aufgeführt (0.209311 in Abbildung 6) wurde speziell für die &quot;glasscube.inp&quot; Eingabedatei in diesem Beispiel bereitgestellt berechnet und sollte so belassen werden. Dieser Wert kann bei Bedarf bei der ersten Verwendung eines anderen Eingabedatei, indem Sie einen Wert von &quot;0&quot; in diesem Ort, bevor Sie das Modell berechnet werden. In diesem Beispiel sind alle Parameterwerte in relativen Einheiten bezogen auf den Eingangs entsprechen Atomkoordinatensystem. Wenn von 0,716 multipliziert die Parameterwerte würden Nanometer große Entfernungen übermitteln. &lt;/ Li&gt; <li> Führen Sie das Beispiel mit den gegebenen Federparameter von r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5 und d = 0,209311 durch Drücken der GUI Schaltfläche &quot;Ausführen&quot;. Ansehen Feedback von der Flucht in der MATLAB-Kommandofenster (Abbildung 7). In der Rückmeldung, ob die Federparameter bestätigt werden, dass die Eingabedatendatei erfolgreich gelesen, und die Ergebnisse in der Ausgabedatei mit dem Namen gespeichert &quot;Modell&quot; beschrieben. </li></ol><img alt="Figur 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" /> Abbildung 7: MATLAB Befehlsfenster Feedback von GUI-basierten nanoLauf. Hinweis: Im obigen Beispiel wird die Datei &quot;Modell&quot; enthält 5176 Atomen, die die gewünschte Feder, eine pro Zeile, mit der ersten Zeile geben Sie die Gesamtzahl der Atomein der Datei. Jede Linie, die ein Atom enthält, das Atom ID, Atomtyp und x, y, z Koordinaten dieses Atom. <ol start="8"><li> Sobald die GUI-Schnittstelle abgeschlossen ist, führen aufeinanderfolgenden Durchläufen durch einen Rechtsklick auf &quot;Nanosprings.m&quot; in der MATLAB &quot;Current Folder&quot; Fenster, und wählen Sie &quot;Ausführen&quot;, um die GUI-Schnittstelle direkt aufzurufen. Hinweis: Verschiedene Referenzen aufgelistet 27-31 für zusätzliche Informationen über MATLAB GUIDE und dem Grund GUIDE Schnittstelle. </li></ol> 3. Überprüfen NanospringCarver Ergebnisse in einem Open-Source-Visualizer 19 Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer zu visualisieren und überprüfen Sie die Ausgabe Frühjahr Modelle erstellt von NanospringCarver gestaltet. <ol><li> Verwenden Sie die NanospringCarver MATLAB GUI, wie oben beschrieben, um Dateien zu erzeugen für die Eingabe in das Visualisierungsprogramm 19. Bei der Ausführung des Visualisierungsprogramm, verwenden Sie den &quot;point Coordinate file &quot;Eingabemöglichkeit, unterscheiden Atomtypen nach Farbe, und wählen Sie eine Achse Rasterrahmen für das Feld. </li><li> Entfernungen messen in den Federmodelle und eine Aufzeichnung von ihnen. </li><li> Vergleichen Sie Messdaten gegen gewünschten Federabmessungen und überprüfen Federmodellgenauigkeit. </li></ol> 4. Mit NanospringCarver Ergebnisse in MD Zug Simulationen von nano Folgende Schritte sind für eine allgemeine Benutzer die Frühjahr Modelle als Eingabe erstellt von NanospringCarver zu einem herkömmlichen Open-Source-MD-Code 32 verwenden zusammengefasst. <ol><li> Laden Sie die neueste Version der Open-Source-MD-Programm LAMMPS. Siehe entsprechende Online-Dokumentation für Handbücher und Beispiele. </li><li> Bestimmen Sie die Maße des gewünschten nanospring Modell, um den entsprechenden Anfangsgroß Quarzglas Modell vorzubereiten, als vor 18 gemeldet. </li><li> Erstellen Sie die gewünschte nanospring Modell mit dem NanospringCarver MATLAB GUI (siehe Section 2 oben). </li><li> Führen Zug- Simulationen auf den gewünschten nanospring, durch Strecken der Modell axial 11,13,23. Produzieren eine repräsentative Video nanospring Modell gestreckt (siehe Abbildung 8, unterhalb und Animations Abbildung 1) zur Visualisierung und Analyse. Forschungsergebnisse in Bezug auf die Spannungs-Dehnungs-Verhalten und Steifigkeit von mehreren nanospring Modelle unter Spannung wurden an anderer Stelle 23 angegeben. </li></ol><img alt="Figur 8" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" /> Abbildung 8: Screenshot einer Kieselsäure nanospring während Zug- Simulation (siehe auch animierte Figur 1).

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Änderung der ursprünglichen Ansatz zur nanohelical Strukturen führte zur Entwicklung von zwei unterschiedlichen Codes, um die Erstellung der beiden Nanobändern und nano von einem Anfangsgroß Quarzglas MD-Modell ermöglichen erstellen. Die Verifikation der Kieselsäure Nanoband und nanospring Modellen wurde mit verschiedenen Softwarepaketen 19-20, die ihre Dimensionsgenauigkeit innerhalb der Messfähigkeit der Programme bestätigt verfolgt. Vergleich zwischen nano und Nanobändern wurde auch durch die Üb...

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The reference section has added:
29. MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. [Massachusetts]: MathWorks; [cited 2013 May 30]. Available from: http://
www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2014).

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Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Helikalen Nanostrukturen werden typischerweise im Labor unter Verwendung von chemischen Dampfabscheidungstechniken 1-2, während neue Ansätze sind in der Literatur 3 gemeldet. Insbesondere nano und Nanobänder wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und vielversprechende Anwendungen in Sensoren, Optik und elektromechanische und fluidische Geräte 4-7 untersucht. Es wurden Syntheseverfahren berichtet, Siliciumdioxid (SiO 2) Nanobänder zu erzeugen, so dass diese Strukturen Potential Baustein Einheiten für hierarchische Systeme. Neuartige Synthese von 3D Kieselsäure nano hat ihre Anwendungen auf Chemoresistoren erweitert, wenn mit ZnO 8 oder Nanopartikel für diagnostische Anwendungen 9-10 beschichtet. Experimentelle Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Kieselsäure nano und Nanobänder sind knapp, vor allem auf die jeweiligen Einschränkungen in Manipulation und Prüfmethoden und equipment. Untersuchungen der Nanomechanik von Nanostrukturen und nano wurden mit Theorie und Simulationen 11-14 berichtet. Einige Simulationen 13 haben sich auf nanomechanische Verhalten von amorphen nano konzentriert, weil sie Regime durch Experimentieren nicht barriere erkunden. Atomistische Studien von metallischen nano wurden in der Literatur berichtet wurde, um die Größenabhängigkeit der elastischen Eigenschaften 15 zu untersuchen, und in jüngerer Zeit die Nano von Schrauben kristallines Siliciumdioxid-Nanostrukturen. 14 experimentelle Erprobung nanospring Strukturen auch in anderen Materialien, wie Kohlenstoff-Nanostrukturen und Schraubengeführt Kohlen nanocoils 16-17. Trotz versammelt das Wissen so weit, wird ein umfassenderes Verständnis der mechanischen Eigenschaften dieser neuartigen Nanostrukturen für die künftige Nanovorrichtung Herstellungs Anstrengungen erforderlich. Als MD Studien von Kieselsäure gMädel (nicht-kristalline Kieselsäure) Nanohelices sind noch recht begrenzt, die atomistische Modellierung solcher Strukturen erfordert die Erstellung von kundenspezifischen Codes. Keine andere alternative Methoden zum Erstellen von Quarzglas Helix MD Modelle wurden bisher auf den letzten Literaturrecherche identifiziert. In dieser Arbeit wird ein Bottom-up-Ansatz für die atomistische Modellierung von spiralförmigen Quarzglas Nanostrukturen einschließlich nano und Nanobänder für künftige umfangreiche MD nano Simulationen verfolgt. Der allgemeine Ansatz beinhaltet die Schaffung einer MD &quot;bulk&quot; Quarzglas Modell wie zuvor berichtet 18, und Carving verschiedene spiralförmige Nanostrukturen aus diesem &quot;Bulk&quot; Probe über zwei robuste und anpassungsfähige Computercodes für diesen Zweck entwickelt. Beide Rechenverfahren bieten einen deutlichen Weg zur Nanoband und nanospring Modelle mit großer Effizienz und atomistischen Detail zu erstellen; Diese Strukturen sind geeignet für große atomistische Simulationen.Darüber hinaus wird eine kundenspezifische grafische Benutzeroberfläche zur Erstellung und Darstellung der Helixstrukturen zu erleichtern. Die Struktur der &quot;bulk&quot; Quarzglas Modell wird zunächst bei Raumtemperatur hergestellt. Groß MD-Simulationen werden zu diesem Zweck mit der Garofalini geführt interatomare Potential ähnlich früheren Studien 18, die rechnerisch und für große Systeme geeignet relativ effizient ist. Die anfängliche &quot;bulk&quot; Quarzglas Struktur besteht aus einem kubischen Modell (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), die 192.000-Atomen enthält. Die &quot;bulk&quot; Quarzglas-Modell wird bei 300 K für 0,5 nsec äquilibriert, um den Anfangszustand mit periodischen Randbedingungen zu erhalten. Zwei Rechenprozeduren sind so konzipiert und genutzt, um atomistische Silica Nanoband und nanospring Modelle erstellen. Die erste Methode beinhaltet Carving Silica-Nanobänder ausdie &quot;bulk&quot; Struktur mit Hilfe der parametrischen Gleichungen, die eine Helix zu definieren und seine Geometrie (Tonhöhe, Radius von Helix und Drahtradius). Dieses Verfahren schließt mit der AWK-Programmiersprache, dem Betriebssystem Linux und Open-Source-Visualisierungssoftware 19. Die allgemeine iterative Prozedur atomistischen Modellen von Nanobänder erzeugen beinhaltet: (1) Auswählen eines Atom im &quot;bulk&quot; Quarzglas-Modell, (2) die Berechnung der Entfernung von dem ausgewählten Atom, an einem Punkt im Raum auf einem vordefinierten Schraubenfunktion, (3) Vergleich dieses Abstandes mit dem Radius des gewünschten Nanoband, und (4) das Verwerfen oder halten das Atom in einen Ausgangsdatenmodell. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material enthalten. Mit dieser Methode wurden mehrere Silica-Nanobänder mit unterschiedlicher Steigung, Radius von Helix und Nanoband Radiuswerte, die anschließend gemessen wurden geschaffenfür Genauigkeit gegen den gewünschten Dimensionswerte mit molekularen Analyse und Visualisierungssoftware 19-20. Atomistischen Modellen von Siliciumdioxid-Nanobänder wurden mit funktionellen Geometrien (hohe Werte von Pech und niedrige Werte von Nanoband Radius) erzeugt. Einige Artefakte, die aus in Fehler ausgeschlossen Stoffatomen, die zu einer weniger glatten Oberfläche Nanoband, wurden bei extrem hohen Nanoband Radiuswerte und sehr niedrige Steigungswerte beobachtet. Ähnliche Verfahren sind in den Prozess der Erstellung Silica-Nanodrähte 21-23 verwendet. Die zweite hier vorgestellte Verfahren beinhaltet Carving Kieselsäure nano vom &quot;bulk&quot; Siliziumdioxidstruktur durch Implementierung Pre-Screening Methoden, um die Effizienz zusätzlich für eine Helix zu erhöhen, um die mathematischen Gleichungen. Dieses Verfahren benötigt die Schaffung eines robusteren C ++ Code, um eine größere Flexibilität bei der Modellierung dieser spiralförmigen Nanostrukturen zu ermöglichen. Die iterative Methode Atomis erstellentic Modelle von nano umfasst: (1) Verwerfen aller Atome garantiert außerhalb der schraubenförmigen Bahn fallen, (2) determinis Auswählen eines Punktes auf der schraubenförmigen Bahn (3) Vergleichen aller Atome in einem bestimmten Abstand zu diesem ausgewählten Punkt und (4 ) Entsorgen oder Lagern jedes Atom in einem Ausgabedatenmodell. Eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist auch in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material. Mit dieser Methode mehrere Kieselsäure nanospring Modelle wurden mit unterschiedlichen Abmessungen (Drahtradius, Radius der Helix und Tonhöhe nanospring) erhalten, wie enthalten in Abbildung 1 dargestellt. Hochpräzise Kieselsäure nanospring Modelle wurden effizient mit diesem Verfahren erhalten, ohne Anzeichen von Artefakten bei extremen gefunden (niedrig und hoch) Tonhöhenwerte für das nanospring. Die Erstellung und Verwendung der grafischen Benutzerschnittstelle für dieses Verfahren ist in dem Protokoll beschrieben. Fig. 1: Eine allgemeine Helixstruktur, die charakteristische Abmessungen, wobei R, R und p die Drahtradius, der Radius der Helix, und die Tonhöhe bzw. H die Gesamthöhe der helikalen Struktur 23. Dieses Protokoll beschreibt, wie die NanospringCarver Dateien vorzubereiten, läuft MATLAB 24 auf einem Linux-PC 25, und verwenden Sie eine grafische Benutzeroberfläche zur atomistischen nanospring Modelle vorzubereiten. Diese bisher nicht Modelle dienen als Grundlage für neuartige Molekulardynamik (MD) Simulationen 23 zu Materialien Innovationsforschung. Die allgemeine Schritt-für-Schritt-Verfahren zur atomistischen nanospring Modelle erstellen beinhaltet mit den folgenden Elementen: (a) NanospringCarver (. V 0.5 beta) Code (Open-sauerce in C ++), (b) Groß Quarzglas Modell (Input-Datei), (c) MATLAB GUI-Schnittstelle und die zugehörigen Dateien, und (d) MATLAB-Software (Version 7) mit einer lokalen Lizenz auf einem Linux-PC. Items (a) - (c) oben (NanospringCarver Code, Quarzglas Modell, MATLAB GUI-Dateien) sind frei, Online-26 herunterladen. MATLAB (Matrix Laboratory) ist ein High-Level-Sprache für numerische Berechnungen, Visualisierung und Anwendungsentwicklung von MathWorks 24, die vor allem für die Datenvisualisierung und Analyse, Bildverarbeitung und Bioinformatik verwendet.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>MATLAB numerical computing software</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td><a href="http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html">http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html</a></td>
			<td>See Protocol Introduction and Reference [24]</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 1 (Step 1.2) and Reference [26]</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 1 (Step 1.2) and Reference [26]</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 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IFrIT visualization software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 and Reference [19]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://www.lammps.sandia.gov/">http://www.lammps.sandia.gov/</a></td>
			<td>See Protocol Section 4 and Reference [32]</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3d visualization

Federartigen Materialien sind in der Natur allgegenwärtig und Interesse an der Nanotechnologie für Energy Harvesting, Wasserstoffspeicher und biologische Sensoranwendungen. Zur vorausschauenden Simulationen wurde es zunehmend wichtig, in der Lage, die Struktur der Nanohelices genau zu modellieren. Um die Wirkung der lokalen Struktur auf die Eigenschaften dieser komplexen Geometrien muss man realistische Modelle entwickeln zu studieren. Bisher sind Software-Pakete eher bei der Schaffung atomistischen Helixmodelle beschränkt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von atomistischen Modellen aus Quarzglas (SiO 2) Nanobänder und nano für Molekulardynamik (MD) Simulationen. Verwendung eines MD-Modell &quot;bulk&quot; Quarzglas, zwei Rechenverfahren, die Form der Nanobänder und nano gerade erstellt werden vorgestellt. Die erste Methode verwendet die AWK Programmiersprache und Open Source-Software, um effektiv zu schnitzen verschiedenen Formen von Siliciumdioxid-Nanobänder aus dem initial Großmodell mit gewünschten Abmessungen und parametrische Gleichungen, um eine Spirale zu definieren. Mit diesem Verfahren kann eine genaue atomistischen Silica-Nanobänder für eine Reihe von Tonhöhenwerten und Abmessungen erzeugt werden. Das zweite Verfahren beinhaltet eine robustere Code, der in der Modellierung nanohelical Strukturen Flexibilität ermöglicht. Dieser Ansatz verwendet einen C ++ Code geschrieben werden, um besonders Pre-Screening-Methoden sowie die mathematischen Gleichungen für eine Helix zu implementieren, was zu einer höheren Präzision und Effizienz bei der Erstellung nanospring Modellen. Verwendung dieser Codes, gut definierte und skalierbare Nanobänder und nano für atomistische Simulationen geeignet effektiv erzeugt werden. Ein Mehrwert in beiden Open-Source-Codes ist, dass sie an unterschiedliche Helixstrukturen, unabhängig von Material zu reproduzieren. Zusätzlich ist ein MATLAB grafische Benutzeroberfläche (GUI) verwendet, zur Verbesserung des Lernens durch Visualisierung und Interaktion für einen allgemeinen Benutzer mit der atomistischen Helical Strukturen. Eine Anwendung dieser Methoden ist die aktuelle Studie von Nanohelices über MD-Simulationen für mechanische Energie Erntezwecken.

Atomistischen Nanoband-Modelle mit der ersten Rechenverfahren (Nanobänder Code) erzeugt und ihre zugehörigen Maße sind in 9 gezeigt. Die resultierenden nanospring Modelle unter Verwendung der zweiten Berechnungsverfahren (nano code) und die zugehörigen Abmessungen sind in Abbildung 10 dargestellt. <img alt="Figur 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" /> ...

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Präzise Modellierung nanohelical Strukturen ist wichtig für Simulations-Vorhersage Studien, die zu neuartigen Anwendungen der Nanotechnologie. Derzeit werden Software-Pakete und Codes bei der Schaffung von atomistischen Helixmodelle beschränkt. Wir präsentieren zwei Verfahren entwickelt, um atomistische nanohelical Modelle für Simulationen zu erstellen, und eine grafische Oberfläche, die Forschung durch Visualisierung zu verbessern.

Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung

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

scalable-nanohelices-for-predictive-studies-enhanced-3d

Research

JoVE Journal

Engineering

10.4K Aufrufe.  University of California Merced.  Präzise Modellierung nanohelical Strukturen ist wichtig für Simulations-Vorhersage Studien, die zu neuartigen Anwendungen der Nanotechnologie. Derzeit werden Software-Pakete und Codes bei der Schaffung von atomistischen Helixmodelle beschränkt. Wir präsentieren zwei Verfahren entwickelt, um atomistische nanohelical Modelle für Simulationen zu erstellen, und eine grafische Oberfläche, die Forschung durch Visualisierung zu verbessern. 

Serie: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

High-Auflösung, High-Speed-, Three-dimensional Imaging mit Digital-Video-Streifenprojektionstechnik

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

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

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

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials science, biology, chemistry and physics among many others. A new computational system for the accurate and fast simulation and 3D/VR visualization of nanostructures is presented here, using the open-source molecular dynamics (MD) computer program LAMMPS. This alternative computational method uses modern graphics processors, NVIDIA CUDA technology and specialized scientific codes to overcome processing speed barriers common to traditional computing methods. In conjunction with a virtual reality system used to model materials, this enhancement allows the addition of accelerated MD simulation capability. The motivation is to provide a novel research environment which simultaneously allows visualization, simulation, modeling and analysis. The research goal is to investigate the structure and properties of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under different conditions using this innovative computational system. The work presented outlines a description of the 3D/VR Visualization System and basic components, an overview of important considerations such as the physical environment, details on the setup and use of the novel system, a general procedure for the accelerated MD enhancement, technical information, and relevant remarks. The impact of this work is the creation of a unique computational system combining nanoscale materials simulation, visualization and interactivity in a virtual environment, which is both a research and teaching instrument at UC 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.

Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

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

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to a different substrate by utilizing elastomeric stamps. Transfer printing enables the integration of heterogeneous materials to fabricate unexampled structures or functional systems that are found in recent advanced devices such as flexible and stretchable solar cells and LED arrays. While transfer printing exhibits unique features in material assembly capability, the use of adhesive layers or the surface modification such as deposition of self-assembled monolayer (SAM) on substrates for enhancing printing processes hinders its wide adaptation in microassembly of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. To overcome this shortcoming, we developed an advanced mode of transfer printing which deterministically assembles individual microscale objects solely through controlling surface contact area without any surface alteration. The absence of an adhesive layer or other modification and the subsequent material bonding processes ensure not only mechanical bonding, but also thermal and electrical connection between assembled materials, which further opens various applications in adaptation in building unusual MEMS devices.

This paper introduces a 3D additive micromanufacturing strategy (termed &#8216;micro-masonry&#8217;) for the flexible fabrication of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. This approach involves transfer printing-based assembly of micro/nanoscale materials in conjunction with rapid thermal annealing-enabled material bonding techniques.

Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules is reported. The entire sequence of relevant experimental steps is described, involving the fabrication of nanostructured substrates using electron beam lithography, immobilization of biomolecules on the substrates, and their characterization utilizing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Three different designs of nano-biological systems are employed, including protein A, glucose binding protein, and a dopamine binding DNA aptamer. In the latter two cases, the binding of respective ligands, D-glucose and dopamine, is also included. The three kinds of biomolecules are immobilized on nanostructured substrates by different methods, and the results of SERS imaging are reported. The capabilities of SERS to detect vibrational modes from surface-immobilized proteins, as well as to capture the protein-ligand and aptamer-ligand binding are demonstrated. The results also illustrate the influence of the surface nanostructure geometry, biomolecules immobilization strategy, Raman activity of the molecules and presence or absence of the ligand binding on the SERS spectra acquired.

We describe the fabrication and characterization of nano-biological systems interfacing nanostructured substrates with immobilized proteins and aptamers. The relevant experimental steps involving lithographic fabrication of nanostructured substrates, bio-functionalization, and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) characterization, are reported. SERS detection of surface-immobilized proteins, and probing of protein-ligand and aptamer-ligand binding is demonstrated.

Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie Detektion von Biomolekülen Mit EBL Fabricated nanostrukturierte Substrate

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.

Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Skalierbare, lösungsverarbeitete Fertigungsstrategie für leistungsstarke, flexible, transparente Elektroden mit eingebettetem Metallgewebe

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface between two different materials is necessary. The S-Sm junction with high interface transparency will then facilitate the observation of the induced hard superconducting gap, which is the key requirement to access the topological phases (TPs) and observation of exotic quasiparticles such as Majorana zero modes (MZM) in hybrid systems. A material platform that can support observation of TPs and allows the realization of complex and branched geometries is therefore highly demanding in quantum processing and computing science and technology. Here, we introduce a two-dimensional material system and study the proximity induced superconductivity in semiconducting two-dimensional electron gas (2DEG) that is the basis of a hybrid quantum integrated circuit (QIC). The 2DEG is a 30 nm thick In0.75Ga0.25As quantum well that is buried between two In0.75Al0.25As barriers in a heterostructure. Niobium (Nb) films are used as the superconducting electrodes to form Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJs) that are symmetric, planar and ballistic. Two different approaches were used to form the JJs and QICs. The long junctions were fabricated photolithographically, but e-beam lithography was used for short junctions&#8217; fabrication. The coherent quantum transport measurements as a function of temperature in the presence/absence of magnetic field B are discussed. In both device fabrication approaches, the proximity induced superconducting properties were observed in the In0.75Ga0.25As 2DEG. It was found that e-beam lithographically patterned JJs of shorter lengths result in observation of induced superconducting gap at much higher temperature ranges. The results that are reproducible and clean suggesting that the hybrid 2D JJs and QICs based on In0.75Ga0.25As quantum wells could be a promising material platform to realize the real complex and scalable electronic and photonic quantum circuitry and devices.

Quantum integrated circuits (QICs) consisting of array of planar and ballistic Josephson junctions (JJs) based on In0.75Ga0.25As two-dimensional electron gas (2DEG) is demonstrated. Two different methods for fabrication of the two-dimensional (2D) JJs and QICs are discussed followed by the demonstration of quantum transport measurements in sub-Kelvin temperatures.

Skalierbare Quantum Integrated Circuits auf supraleitender zweidimensionaler Elektronengasplattform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament fabrication (FFF) is an inexpensive method used most frequently by consumers. Studies with 3D printers have shown that during the printing process particulate and volatile substances are released. Handheld 3D printing pens also use the FFF method but the consumer&#8217;s proximity to the 3D pens gives reason to higher exposure compared to a 3D printer. At the same time, 3D printing pens are often marketed for children who could be more sensitive to the printing emission. The aim of this study was to implement a low cost method to analyze the emissions of 3D printing pens. Polylactide (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) filaments of different colors were tested. In addition, filaments containing metal and carbon nanotubes (CNTs) were analyzed. An 18.5 L chamber and sampling close to the emission source was used to characterize emissions and concentrations near the breathing zone of the user.
Particle emissions and particle size distributions were measured and the potential release of metal particles and CNTs investigated. Particle number concentrations were found in a range of 105 - 106 particles/cm3, which is comparable to previous reports from 3D printers. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed nanoparticles of the different thermoplastic materials as well as of metal particles and CNTs. High contents of metal were observed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).
These results call for a cautious use of 3D pens due to potential risk to the consumers.

This protocol presents a method to analyze the emission of 3D printing pens. Particle concentration and particle size distribution of the released particle is measured. Released particles are further analyzed with transmission electron microscopy (TEM). Metal content in filaments is quantified by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

3D-Druck - Bewertung der Partikelemissionen eines 3D-Druckstifts

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament ...