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.

1. Installieren Sie 3D / VR-Modeling-Software auf PC-Modellierung <ol><li> Installieren Sie Linux-Basisbetriebssystem auf die Modellierung PC (Ubuntu x86 / AMD64 je nach Hardware). </li><li> Ändern LINUX Basis-Betriebssystem. <ol><li> Installieren Bibliotheken und Funktionen hinzuzufügen wie nötig. </li></ol></li><li> Installieren VRUI und NCK 3D / VR-Modellierungs-Software auf PC-Modellierung 6. <ol><li> Überprüfen Sie Websites zu 1,6 bis neuesten Versionen aller Modellierungssoftwarekomponenten zu erhalten. </li><li> Kompilieren, Konfigurieren und Testen VRUI. </li><li> Installieren und testen NCK. </li></ol></li></ol> 2. Einrichten von Tracking-System 1 <ol><li> Einfassung IR-Tracking-Kameras 4 <ol><li> Erstellen Sie eine starre Kamera Hängerahmen direkt über der Vorderkante der 3D-TV in der Nähe der Decke für beste Abdeckung. Berg 3 Kameras an Schwenklager direkt über den vorderen Ecken und der vorderen Mitte des 3D-TV. Stellen Sie sicher, dass der Abstrahlwinkel von jeder Kamera nur gschleift die Vorderseite des Fernsehgeräts. </li><li> Richten Sie die Kamera, um die breiteste Abdeckung Winkel (45 Grad) parallel zu der Vorderseite des 3D-TV verfügen. Verwenden Sie einen schmaleren Abstrahlwinkel (30 Grad) senkrecht zur Vorderseite des 3D-TV. Erlauben eine maximale Überdeckung innerhalb des gewünschten 3D-Arbeitsraum. Sicherzustellen Objekte im Hinblick auf mindestens zwei Kameras erfolgreich verfolgt werden (Abbildung 3). <img alt="Figur 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" width="500" /> Abbildung 3. IR-Tracking-Kamera Abdeckung, um 3D-Arbeitsbereich vor dem Fernseher zu maximieren. Teile (A) und (B) zeigen Vorder- und Seitenansicht mit Bezug auf die 3D / VR-Visualisierungssystem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen .</a> </li></ol></li><li> Experimentieren Sie mit alternativen Kameraplatzierung bei Bedarf eine angemessene erstellen3D-Arbeitsbereich. Dies kann erforderlich sein, wenn die vertikale Kameramontageabstand gezwungen werden. </li><li> Installieren und Kalibrieren Tracking Software <ol><li> Installieren Sie den Optitrack Rigid Body Toolkit auf der Tracking-Computer mit Installationsanleitung enthalten. </li><li> Set Threshold, Belichtung, Illumination Werte abhängig von Umgebung und stellen Sie die Aufnahmequalität zu hoch ist, wie in den Tracking-Software-Anweisungen beschrieben. </li><li> Für die Wand Erfassen, achten Sie darauf, alle anderen reflektierenden Material aus der 3D-Arbeitsbereich zu entfernen. Bewegen Sie die Kamera gleichmäßig im gesamten Überlappungsarbeitsbereich mit der reflektierenden Wand. Wiederholen, bis Standard und meine Fehler unten &quot;0.5&quot; erhalten speichern Sie die Kalibrierungsdatei. </li><li> Stellen Sie die Grundplatte zur Einrichtung eines Raupen 3D Arbeitsraum-Koordinatensystem Herkunft. Definieren Sie die Wiimote und 3D-Brillen verfolgten Objekte wie in den Tracking-Software-Anweisungen beschrieben. </li></ol></li><li> Komplette VRUI Kalibrierung <ol><li> Stellen VRUI zu trackin akzeptiereng Informationen von Tracking-Computer. </li><li> Stellen Sie sicher, Tracking-Funktionalität in VRUI mit Devicekalibrierungsdienstprogramm. </li><li> Richten VRUI 3D-Display und Tracking-Software-Koordinatensysteme. </li><li> Stellen Ausrichtung verfolgt Wiimote und 3D-Brille mit AlignTrackingMarkers Ausrichtung Software. </li></ol></li></ol> 3. Bereiten Sie 3D-Modeling-System für den Einsatz <ol><li> Bevor Sie beginnen, entfernen Sie alle reflektierenden Schmuck (dh, Uhren, Ohrringe, Metalle, etc.). Korrekturbrille benötigt, um auf dem Bildschirm konzentrieren nicht entfernen. </li><li> Bauen Sie die Ausrüstung für die 3D / VR-Visualisierungssystem: <ol><li> Modeling-Computer </li><li> Tracking-Computer </li><li> Großformat 3D-fähigen TV </li><li> Video-Kabel zwischen Computer-Modellierung und 3D-TV </li><li> 3D IR-Emitter für 3D-TV </li><li> Ethernet-Kabel für die Modellierung und Computer-Tracking- </li><li> Wiimote mit Tracking-Geweihe (Controller) </li><li>3D-Brille mit Tracking-Geweihe (3D-Brille) 5 </li></ol></li><li> Vorsichtig Controller, wo sie leicht von der Modellierung Computer zu erreichen, dabei nicht zu berühren oder zu bewegen, die die sphärischen IR Aufspürmarkierungen attached to it. </li><li> Vorsichtig 3D-Brille auf TV-Ständer (wie zuvor, müssen Sie nicht an der reflektierenden Markierungen). </li><li> Schließen Sie die drei USB-Kabel von den IR-Kameras über dem 3D-TV zu 3 USB-Anschlüsse auf der Tracking-Computer montiert, während es ausgeschaltet ist. </li><li> Suchen Sie die 3D-TV-Fernbedienung, und legen Sie sie vor der 3D-TV. </li><li> Schließen Sie das Videokabel an die Videokarte auf der Modellierung Computer und dem Videoeingang des 3D-TV. Schließen Sie auch das 3D-IR-Sender für die 3D-Synchronisation Ausgang aus dem 3D-TV, und legen Sie Sender im TV stehen in der Nähe Seite des TV, nach oben hin, wo Brille verwendet. Achten Sie sorgfältig darauf, die Position des kalibrierten TV verschieben. </li><li> Schalten Sie 3D-TV ON vor dem Einschalten der Modellierung Computer ensicher, dass angemessene Anerkennung durch den Computer. </li><li> Schalten Sie Computer-Modellierung. Nach der Modellierung Computer bootet in eine Login-Prompt, melden Sie sich auf dem Computer-Modellierung LINUX-System auf einen geeigneten Konto. </li><li> Sobald die Modellierung Computer-Desktop zur Verfügung steht, verwenden Sie die 3D-TV-Fernbedienung, um den Status des Video-Kabelverbindung mit der Taste &quot;info i /&quot; Taste überprüfen. Stellen Sie sicher, dass der TV-Bildschirm die Meldung &quot;1920x1080 @ 60Hz&quot; in der oberen linken Ecke. Wenn nicht, starten Sie den Computer-Modellierung, um die korrekte Erkennung der 3D-TV zu schaffen. Auch sicher sein, TV-Gerät im 3D-Ausgabe MODE 2, unter Verwendung der Fernbedienung Setup-Menüs. </li><li> Auf der Modellierung Computer-Desktop, öffnen Sie ein Terminalfenster mit mehreren Registerkarten. </li><li> Auf dem Verfolgungscomputer, ob der Ethernet-Adapter IP-Adresse, indem Sie &quot;ipconfig&quot; in einem Befehlsfenster. </li><li> Auf der Modellierung Computer, öffnen Sie ein Terminalfenster Registerkarte und prüfen Sie in der VRDevices.cfg Datei, die die &quot;servername&quot; definiertder Tracking-Computer Ethernet-Adapter IP-Adresse. </li><li> Falls erforderlich, ändern Sie die &quot;Servername&quot; die IP-Adresse in VRDevices.cfg den Tracking-Computer Ethernet-Adapter übereinstimmen, und speichern Sie VRDevices.cfg. </li><li> Auf der Tracking-Computer, starten Sie die Optitrack Rigid Body-Tool-Software. </li><li> Damit die Software vollständig zu öffnen, klicken Sie auf die große Schaltfläche oben Menü &quot;Load Calibra Ergebnis&quot; bezeichnet. </li><li> Suchen und öffnen Sie die entsprechende Kamerakalibrierung Datei. </li><li> Nachdem die Datei geladen wurde, klicken Sie auf das Menü &quot;Datei&quot; und wählen Sie &quot;Load starrer Körper Definitionen&quot;. </li><li> Suchen und öffnen Sie die entsprechende Starrkörperdefinitionsdatei für das Raupensteuerung und 3D-Brille. </li><li> Auf der äußersten rechten Fensterbereich des Tracking-Software, suchen Sie den Abschnitt mit der Überschrift &quot;Streaming&quot;, erweitern Sie den Abschnitt und in der Kategorie &quot;VRPN Streaming&quot; sicher, dass die Portnummer aufgeführt ist 3883, dann überprüfen Sie die &quot;BreiteGussrahmen Daten &quot;Box in der Kategorie&quot; VRPN Streaming-Engine &quot;. </li><li> Bei der Modellierung Computer, um sicherzustellen, dass der Regler entweder direkt in der Hand oder unmittelbar erreichbar (2 Sek entfernt am meisten). </li><li> Auf der Modellierung Computer, öffnet sich ein Tab im Terminal-Fenster weiter oben in diesem Sitzung erstellt und navigieren Sie zu und dann starten Sie die VRDeviceDaemon Software, zum Beispiel die Eingabe von &quot;./VRDeviceDaemon&quot;. </li><li> Folgen Sie den Anweisungen, um die Aktivitäts erfolgreich war, wird das Fenster nun die Anzeige &quot;Druckknöpfe 1 und 2 auf der Wiimote gleichzeitig.« »VRDeviceServer: Warten auf Client-Verbindung&quot;. </li></ol> 4. Testen Sie 3D / VR-Visualisierungssystem Mit NCK Software Die folgende Reihe von Anweisungen wird beschrieben, wie die NCK-Software Bildschirmmenüs nutzen, um Steuerung Werkzeugfunktionen zu schaffen, und dann, wie zu bauen und einen Kohlenstoff nanotu manipulierenwerden in dem 3D / VR Arbeitsbereich aus konstituierenden Kohlenstoffatomen (Abbildung 4). Anweisungen, wie Sie die daraus resultierenden Bindungswinkeln und Entfernungen (Schritt 4.4.10) zu messen sind online 10 zur Verfügung. <img alt="4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" width="500" /> Abbildung 4. Undergraduate Student mit dem 3D / VR-Visualisierungssystem, um Kohlenstoff-Nanoröhren zu studieren (CNTs) Fotos (A) -.. (F) zeigen den Bauprozess eines einwandigen CNT <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen .</a> <ol><li> Innerhalb der Modellierung Computer-Terminal-Fenster in Schritt 3.11 erstellt haben, wählen Sie die dritte Registerkarte. Zur Initiierung der NCK-Software, wechseln Sie in das Installationsverzeichnis und geben NCK: &quot;./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 &quot;. </li><li> Sehr vorsichtig nicht zu berühren oder lösen Sie die beigefügten Aufspürmarkierungen, setzen auf 3D-Brille und heben Sie den Controller. Stellen Sie den Kopf / Goggle Betrachtungsposition zu 3D-Brillen sorgen erhalten 3D-TV-IR-Emitter-Sync-Signal, so dass 3D / VR Betrachten von TV-Anzeige. </li><li> Um ein Toolset, um die Tasten hinzufügen, verschieben und löschen Atomen zuzuordnen NCK-Kommando Verbände auf der Steuerung wie folgt sind: <ol><li> Öffnen Sie das Hauptmenü auf dem Bildschirm NCK durch Drücken und Halten Sie die Home-Taste auf der Wiimote, das Navigieren zu und wählen Sie die &quot;Override Tools&quot; den Menüpunkt, dann Loslassen der Start-Taste. Dies ermöglicht die Zuordnung von Befehlen zu verschiedenen Tasten auf der Steuerung unabhängig voneinander. </li><li> Um die Wirkung der Manipulation von Atomen innerhalb NCK, drücken Sie assoziieren die Wiimote Auslöseknopf (an der Unterseite des Controllers) und halten Sie die Auslösetaste, wechseln die NCK-Menü auf dem Bildschirm zu &amp; #8220; Dragger &quot;und wählen Sie&quot; 6-DOF Dragger &quot;, dann lassen Sie den Auslöser. Der Trigger wird nun unter der Wirkung der Manipulation der Atome zugeordnet sind. </li><li> Um die Funktion des Hinzufügens eines Atoms auf die &quot;+&quot; Taste auf der Wiimote zuweisen, bringen Sie das Hauptmenü durch Drücken und Halten der Home-Taste, gehen Sie zu &quot;Struktureinheitentypen&quot; und wählen Sie &quot;Triangle&quot;, und lassen Sie die Home-Taste . </li><li> Danach drücken Sie die Taste &quot;+&quot;, gehen Sie zu &quot;Dragger&quot;, und wählen Sie &quot;6-DOF Dragger&quot;, dann lassen Sie die Taste &quot;+&quot;. Die Taste &quot;+&quot; wird nun mit der Schaffung neuer Atome des gewählten Typs (C-Atome durch Dreiecke dargestellt, in diesem Fall) verbunden. </li><li> &quot;-&quot;, Um die Funktion zum Löschen ein Atom zum ASSIGN-Button auf der Wiimote, um das Hauptmenü durch Drücken und Halten der Taste &quot;Start&quot;, dann gehen Sie zu &quot;Struktureinheitentypen&quot;, und wählen Sie &amp; #8220; Delete Selected Units &quot;, und lassen Sie die Home-Taste. </li><li> Als nächstes drücken Sie die Taste &quot;-&quot;, gehen Sie zu &quot;Dragger&quot;, dann &quot;6-DOF Dragger&quot;, und lassen Sie die Taste &quot;-&quot;. Die Taste &quot;-&quot; ist nun mit dem Löschen-Atomen verbunden. </li><li> Folgen Sie einem ähnlichen Verfahren, die Funktionen der &quot;Lock Selected Einheiten&quot; auf die &quot;1&quot; Wiimote Taste zuweisen und &quot;Unlock Ausgewählte Einheiten&quot; auf &quot;2&quot; Steuerung-Taste. </li></ol></li><li> Wenn die Controller-Tasten konfiguriert wurden, erstellen Sie eine Kohlenstoff-Nanoröhre mit NCK wie folgt: <ol><li> Mit der Taste &quot;+&quot;, fügen Sie zwei 3-Bindung dreieckige Kohlenstoffatomen in den NCK-Arbeitsbereich. Bearbeiten Sie diese mit Hilfe der Auslösetaste, bis sie an einem Scheitelpunkt zu verbinden. </li><li> Fügen Sie 4 mehr Kohlenstoffatomen, einen sechseckigen Sternform erstellen. </li><li> Über das Menü &quot;Start&quot;, gehen Sie zu &quot;I / O-Menüs&quot; und dann &quot;Save Einheiten. </li><li> Bewegen Sie den 6 spitzen Struktur weg von der aktuellen Position. </li><li> Über das Menü &quot;Start&quot;, gehen Sie zu &quot;I / O-Menüs&quot;, dann &quot;Ladeeinheiten. </li><li> Wiederholen Sie die letzten zwei Schritte, bis eine 6 von 6 Blatt von hexagonalen 6-Atom-Ringe wurde (5A) erstellt. </li><li> Mit der Taste &quot;1&quot;, sperren ein Atom in der oberen Reihe, und eine gegenüberliegende Atom in der unteren Reihe. Die verriegelten Atome werden mit einer rosa Farbe (5B) gekennzeichnet. </li><li> Mit der Auslösetaste, vorsichtig bewegen eines der gesperrten Atome in einem Kreisbogen bis zu ihrer freien Eckpunkt nähert sich dem freien Ecke der gegnerischen gesperrten Atom. Ein grüner Strich verbindet den Ecken erscheinen, wenn sie nahe genug, dass Atomanziehungs will sie mit einer Anleihe (5C) beizutreten. Einmal erfolgreich beigetreten, entsperren die beiden Atome mit Hilfe der Taste &quot;2&quot;. </li><li> Weiter ähnlich Verriegelung, Fügen, und Entriegelung gegnerischen Atom verVerhaltensweisen im Kohlenstoffblatt, effektiv &quot;zippen&quot; das Blatt in eine endgültige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (5D bis 5F). <img alt="Abbildung 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" width="500" /> Abbildung 5. Schrittweise Schaffung eines einwandige CNT zeigt (A) eine 6 x 6 Blatt (Graphen) von hexagonalen Kohlenstoffringe, (B) gegenüberliegende C-Atome &quot;gesperrt&quot; (wie rosa Dreiecke dargestellt), um eine einfachere Handhabung gegen ermöglichen realistische atomaren Kräfte, (C) Kohlenstoff (Graphen) Blatt sorgfältig gebogen, um Bindung zwischen den Atomen auf gegenüberliegenden Seiten zu erlauben, (D) zwei weitere gegenüberliegende C-Atomen verschlossen weiter Kohlenstoffolie Krümmung zu unterstützen, (E) weiteren gegenüberliegende C-Atome gebundene Kohlenstoff weiterhin Blattkrümmung in ein Nanoröhrchen ist, und (F) abschließenden CNT nach sequentieller Bindung von gegenüberliegenden Atome der ursprünglichen c gebildetArbon Blatt (Graphen). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> </li><li> Wenn die Nanoröhre abgeschlossen ist, verwenden Sie auf dem Bildschirm, Messwerkzeuge, um strukturelle Winkel und Distanzen 10 bestätigen. </li></ol></li></ol> 5. Visualisierung von Molekulardynamik Simulation Models <ol><li> Importieren Sie eine erste kristalline SiO 2 kubische Modell in den 3D / VR NCK-Software, und untersuchen Sie die ursprüngliche Struktur (siehe Abbildung 2A). </li><li> Open-Source-Programme MDCASK 11 und LAMMPS 12 wurden wegen der Funktionen, die auf diesem Forschungsschwerpunkt gut geeignet richtet. Letzteres Programm wird in dieser Arbeit angesichts der vielfältigen interatomaren Potentiale und GPU-Computing-Fähigkeit verwendet. Mit dem MD LAMMPS Paket 12, führen Sie einen simulierten Schmelze / löschen Verfahren auf dieser Ausgangsstruktur um eine amorphe SiO 2 st erzeugen<html> ructure. Details zu diesem simulierten Verfahren kann in früheren Publikationen 13-15 gefunden werden. </li><li> Importieren Sie die daraus resultierenden neuen amorphen (ungeordneten) SiO 2 Modell in den 3D / VR NCK-Software und untersucht die Struktur (siehe Abbildung 2B). </li><li> Erstellen Sie eine SiO 2 nanospring / Nanoband aus der neuen amorphen Feststoff mit Hilfe der Open-Source-Code NanospringCarver 16 und die damit verbundenen Lehr-Dokumentation 17 (Abbildung 6). <img alt="Figur 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" width="500" /> Abbildung 6. Abbildung der Schritt-für-Schritt-Atom Auswahlprozess in verschiedenen Phasen bei der Erstellung eines nanospring Verwendung des NanospringCarver Programmteile. (A - D) zeigen 25%, 50%, 75% und 100% Vollendung dieses Prozesses 17.target = &quot;_ blank&quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen. </li><li> Verwenden Sie die LAMMPS MD-Paket auf Zug-Simulationen auf der nanospring / Nanoband (Abbildung 7) durchzuführen. Einzelheiten zu diesem Verfahren können in einer früheren Veröffentlichung 15 gefunden werden. <img alt="7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" width="500" /> Abbildung 7. Snapshot Bild aus LAMMPS MD Kieselsäure spiralförmige Nanostruktur (Nanoband) Zug- Simulationsergebnisse. </li><li> Verwenden Sie die Open-Source-Software-Tools VMD (Visualisieren Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19 und FFmpeg 20 Schnappschüsse und Animation des schraubenförmigen Nanostruktur in dieser Simulation (Animierte Abbildung 1) zu erstellen, für die Darstellung in der 3D / VR-Visualisierungssystem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier um eine größere v betrachten</a>ersion dieser Figur. </li></ol> <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/Animated_Fig1-movie NR-0140_frames.mov" target="_blank">Animierte Abbildung 1</a> . Animation der spiralförmigen Nanostruktur Zug-Simulation.

<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>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Kritische Elemente bei der erfolgreichen Installation und Verwendung des 3D / VR-Visualisierungssystem sind in der physischen Umgebung und Design-Überlegungen und Besonderheiten in ergänzenden Materialien detailliert. Wichtige Überlegungen zur Installation gehören 3D-Display-Höhe für komfortable Langzeit stehende oder sitzende Nutzung, maximiert Kamera montiert Höhe Tracking, eine große 3D-Arbeitsbereich, stabile Tracking-Kamera und 3D-Display-Unterstützung, um die Konfiguratio...

Materialwissenschaft ist ein interdisziplinäres Feld, das die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für ihre Anwendung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik untersucht, in der Materie. Als Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden durch Computersimulationen neben Experimenten untersucht, bieten Computerwerkzeuge komplementäre Funktionen, die Forschungsanstrengungen verstärken kann. Während Nanomaterialien sind von Interesse für Wissenschaftler und haben erlösende Wert für ihre potenziellen sozialen Auswirkungen ist dieser Größenbereich birgt viele Herausforderungen vor allem in Experimenten gefunden. Computersimulationen erlauben Wissenschaftlern und Ingenieuren, um spezielle Tests in einer großen Vielzahl von Umgebungen nur von Zeit und Rechenressourcen begrenzt durchzuführen. Molekulardynamik (MD) Simulationen ermöglichen die entsprechende Zeit- und Längenskalen, die Phänomene von Interesse in vielen Nanomaterialien zu untersuchen. Simulationen erweitern die Untersuchung von Materialien, indem Sie die Einschränkungen von Ter physikalische Labor, aber viele Computerwerkzeuge fehlen zugänglich, intuitive Schnittstellen für die Forschung. Enhancement mit der grafischen Darstellung von Modellen, effiziente Berechnungsalgorithmen und grafischen Processing Unit (GPU) based Computing ergänzen aktuelle Simulationsbemühungen. Die neuen Grafikkarten verbinden sich mit Zentraleinheiten effizient, damit mathematisch intensive Berechnungen, die von der GPU ausgeführt werden. Das Ergebnis ist eine wirksame Beschleunigung der Berechnung in der Größenordnung von 10 x begleitet von einer Verringerung des Energieverbrauchs von bis zu 20x. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung und Implementierung eines neuartigen Werkzeug für Nanowissenschaften Untersuchung, die direkt mit einer interaktiven Schnittstelle zu MD-Simulationen, Materialwissenschaften Analyse und 3D-Visualisierung. Dieses innovative System mit einzigartigen und leistungsstarken Analysefunktionen für Nano-Forschung und Bildung an der UC Merced verwendet wurde, mit unmittelbaren Auswirkungen auf andere rel<html> ated STEM Bereichen wie Nanotechnologie, Physik, Biologie und Geologie und ultimative Vorteil für Bildung und Gesellschaft. Die 3D / VR-Visualisierungssystem wurde sowohl eine Forschungs- und Lehrinstrument, die Erstellung und Bearbeitung von atomaren Strukturen in einem interaktiven virtuellen 3D-Realität (VR) Umgebung ermöglicht implementiert. Das System wurde von einer Reihe von relativ kostengünstige und leicht zugängliche Komponenten nach dem ursprünglich von Dr. Oliver Kreylos an der UC Davis 1 entwickelten Modell erstellt. Unten ist ein Foto des fertigen 3D / VR-Visualisierungssystem-Layout, mit wichtigen Komponenten markiert (Abbildung 1). Dieses System wurde ursprünglich für Bildungszwecke an der UC Merced 2009 gegründet Die Umsetzung der Original-3D / VR-System führte in peer-reviewed Publikationen 2-3. Tabelle 1 unten fasst die wichtigsten Eigenschaften für jedes Element der 3D / VR-Visualisierungssystem. ntent &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1. 3D / VR-Visualisierungssystem und Hauptkomponenten (links) im Davila Research Laboratory der UCM und Visualisierungsgeräte (rechts). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Artikel </td><td> Komponente </td><td> Funktionalität im System </td></tr><tr><td> A </td><td> 3D-TV </td><td> 3D-Darstellung von modellierten molekularen Strukturen und die Bildschirmmenüs. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infrarot (IR) Tracking-Kameras 4 </td><td> IR-Kameras Spurpositionen der Wiimote und 3D-Ansicht Brille in der Benutzerarbeitsbereich vor der 3D-TV, so dass virtuellen 3D-Manipulation angezeigt Strukturen. </td></tr><tr><td> C </td><td> Tracking-PC </td><td> Läuft IR-Kamera-Tracking-Software und überträgt Wiimote und 3D-Brillen Positionen Modellierung Computer. </td></tr><tr><td> D </td><td> Wiimote </td><td> Wird für die On-Screen-Steuerung der Modellierungssoftware und Strukturen in virtuellen 3D-Umgebung zu manipulieren. </td></tr><tr><td> E </td><td> 3D-Brille 5 </td><td> Mit 3D-TV-IR-Signal synchronisiert, ermöglichen 3D-Ansicht der Struktur. Position von IR-Kameras für die genaue 3D-Ansicht verfolgt. </td></tr><tr><td> F </td><td> Modeling PC </td><td> Läuft NCK / VRUI 3D-Modellierung und Anzeigesoftware 6, übernimmt Brille / Wiimote Position und Steuersignale, um genaue 3D-Molekülstruktur-Ansicht erstellen. </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Funktionalität der wichtigsten Elemente der 3D / VR-Visualisierungssystem an der UCM. Description von 3D / VR-Visualisierungssystem und Basiskomponenten: 3D / VR-Visualisierung Systemübersicht - Die 3D / VR-Visualisierungssystem besteht aus einer Reihe von IR-Kameras und-Tracking-Software, die in Verbindung mit 3D-Modellierungssoftware, damit ein Benutzer interaktiv erstellen 3D Molekülstrukturen. Die IR-Kameras und Software verfolgen die 3D-Lage einer Wiimote und 3D-Betrachtungsbrille mit IR-Marker, und übergeben diese an die Modellierungssoftware. Die Modellierungssoftware benutzt die Wiimote Steuersignale und Bewegung, um 3D-Molekülstrukturen erzeugen sichtbar mit Hilfe der Kombination aus einem 3D-fähigen Fernseher mit Großformat-synchronisiert und verfolgt 3D-Brille. Dies ergibt eine virtuelle 3D-Arbeitsbereich, in dem der Benutzer dynamisch zu erstellen und virtuelle Molekülstrukturen, die reale physikalische Verhalten (2) beziehen, basierend auf interatomaren Kräfte in der Modellierungssoftware verwendet manipulieren. Sonder considerations für die Einrichtung dieses Systems können in ergänzenden Materialien gefunden werden. <img alt="Abbildung 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Abbildung 2. Die Untersuchung Kieselsäure Nanomaterialien mit dem 3D / VR-Visualisierungssystem. (A) Ein Forscher schafft eine erste Cristobalit-Modell (kristallin), bevor GPU-basierte Simulationen. (B) Bei der Durchführung einer simulierten MD schmelz Quench-Verfahren auf in (a), erhält ein anderer Forscher einen Quarzglas-Modell (nicht-kristalline) gezeigte Modell. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> 3D / VR-Visualisierungssystem Enhancement - MD Simulation Fähigkeit: Molekulardynamik-Simulationssysteme werden häufig in einem realisiertMehrknoten Mode, das heißt, eine große Arbeitsbelastung für Tausende von Prozessoren verteilt oder unter Zehn parallelisiert. In letzter Zeit wurden zusätzliche Möglichkeiten für beschleunigte wissenschaftliche Rechnen mit den Entwicklungen in der Computergrafik Verarbeitung entstanden. Diese Fortschritte sind eine Software-Schnittstelle, die Wissenschaftler, die Vorteile der hochparallele Art der Verarbeitungsleistung wesentlich für Grafikchips zu nehmen. Mit dem Aufkommen des Compute Unified Device Architecture oder CUDA 7, können die Wissenschaftler GPUs 8 verwenden, um die Geschwindigkeit, mit der Probleme gelöst und gleichzeitig die Kosten für die Infrastruktur. Ein typisches GPU kann das Äquivalent von Hunderten bis Tausenden von Kernen oder &quot;Knoten&quot; für die Verarbeitung von Informationen haben, und diese können jeweils parallel verwendet werden, kann ein gut codiert Lösung bis zu Durch Beschleunigung gegenüber den Multi-Core-Pendant 1,000x . Auch wenn nicht jedes Problem mit diesem Ansatz gut geeignet, haben aktuelle MD-Simulationen bis zu 15 gesehenx Durchsatzleistung gewinnt 9. Details zur 3D / VR-Visualisierungssystem MD-GPU-Erweiterung kann in ergänzenden Materialien gefunden werden.

<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

Die zunehmende Entwicklung der Informatik (Hardware und Software) in den letzten Jahrzehnten hat sich die wissenschaftliche Forschung in vielen Bereichen, einschließlich der Materialwissenschaft, Biologie, Chemie und Physik und viele andere beeinflusst. Ein neues Computersystem für die präzise und schnelle Simulation und 3D / VR-Visualisierung von Nanostrukturen wird hier vorgestellt, mit dem Open-Source-Moleküldynamik (MD) Computerprogramm LAMMPS. Diese alternative Berechnungsverfahren nutzt moderne Grafik-Prozessoren, NVIDIA CUDA Technologie und wissenschaftliche Spezialcodes zur Verarbeitungsgeschwindigkeit Barrieren gemeinsam traditionelle Rechenverfahren zu überwinden. In Verbindung mit einem System für virtuelle Realität verwendet werden, um Materialien zu modellieren, ermöglicht diese Verbesserung die Zugabe beschleunigt MD Simulationsfähigkeit. Die Motivation ist es, ein neues Forschungsumfeld, das gleichzeitig ermöglicht die Visualisierung, Simulation, Modellierung und Analyse liefern. Das Forschungsziel ist es, die Struktur und die Eigenschaften von anorganischen n untersuchenanostructures (zB Quarzglas nano) unter verschiedenen Bedingungen mit dieser innovativen Computersystems. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Beschreibung des 3D / VR-Visualisierungssystem und Basiskomponenten, eine Übersicht über wichtige Aspekte wie die physische Umgebung, Informationen über die Einrichtung und Verwendung des neuen Systems, ein allgemeines Verfahren für die beschleunigte MD Verbesserung, technische Informationen und relevante Bemerkungen. Die Auswirkungen dieser Arbeit ist die Schaffung eines einzigartigen Rechensystem kombiniert nanoskaligen Materialien Simulation, Visualisierung und Interaktivität in einer virtuellen Umgebung, die sowohl ein Forschungs- und Lehrinstrument an der UC Merced ist.

Dieses 3D / VR-Visualisierungssystem bietet neue Chancen für die Durchführung von Materialwissenschaften Studien. Da dieser immersiven Umgebung arbeitet in Echtzeit, in Form von 3D-Eingabe und Anzeige der Forscher mit einem vollständig interaktiven nanoskaligen Instrument 2 vorgestellt. Über die hier vorgestellten Protokoll wurde eine spiralförmige Nanoband Kieselsäure in dieser Schritt-für-Schritt-Mode erstellt. Eine Momentaufnahme dieser Struktur aus LAMMPS MD hergestellt wird in 7 g...

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.

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 ...

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

Research

JoVE Journal

Engineering

11.8K Aufrufe.  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.

Serie: 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.

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 ...

Forschung

Ingenieurwesen

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.

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 ...

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.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

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.

Plasmonische Trapping und Freisetzung von Nanopartikeln in einer Monitoring-Umgebung

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.

Hochtemperatur Herstellung von Nanostrukturierte Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) Scaffolds durch<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon-Templating Xerogele

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.

Richtlinien und Erfahrung mit Imaging-Biomarker Explorer (Steinbock), für 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 ...

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).

Anwendbarkeit Analyse der Bewertungsmethoden für morphologische Parameter der korrodierten Stabstahl

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.

Rissüberwachung bei Derresonanceermüdungstests von geschweißten Proben mit Digital Bildkorrelation

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.

Chirurgie und Probenverarbeitung zur korrelativen Bildgebung der murinen Pulmonalklappe

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.

Interaktives und visualisiertes Online-Experimentiersystem für Ingenieurausbildung und -forschung

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