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. Instale 3D / VR software de modelado en Modelado PC <ol><li> Instale el sistema operativo base LINUX en el modelado PC (Ubuntu x86 / AMD64 dependiendo del hardware). </li><li> Modifique el sistema operativo base Linux. <ol><li> Instale las bibliotecas y agregar funcionalidad según sea necesario. </li></ol></li><li> Instale VRUI y NCK 3D / software de modelado de realidad virtual en Modelado PC 6. <ol><li> Compruebe los sitios web relacionados 1,6 para obtener las versiones más recientes de todos los componentes de software de modelado. </li><li> Compilar, configurar y probar VRUI. </li><li> Instalar y probar NCK. </li></ol></li></ol> 2. Establecer un sistema de seguimiento de 1 <ol><li> Monte Seguimiento IR Cámaras 4 <ol><li> Crear un marco de suspensión rígido para la cámara directamente encima del borde delantero de la TV 3D cerca del techo a la mejor cobertura. Mount 3 cámaras en montajes giratorios directamente encima de las esquinas delanteras y el centro frente a la televisión 3D. Asegúrese de que el ángulo de cobertura de cada cámara justo garrasa la superficie frontal del televisor. </li><li> Apunte las cámaras para tener el mayor ángulo de cobertura (45 grados) en paralelo a la parte delantera de la televisión en 3D. Utilice un ángulo de cobertura más estrecha (30 grados) perpendicular a la parte frontal de la TV 3D. Permitir la máxima superposición dentro del espacio de trabajo 3D deseada. Asegurarse de objetos están a la vista de al menos dos cámaras para ser rastreados con éxito (Figura 3). <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Cobertura cámara de infrarrojos de seguimiento para maximizar espacio de trabajo 3D en frente de la televisión. Piezas (A) y (B) muestran vista frontal y lateral con respecto al sistema de visualización 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .</a> </li></ol></li><li> Experimente con la colocación de la cámara alternativo si es necesario para crear una adecuadaEspacio de trabajo 3D. Esto puede ser necesario si la distancia de montaje vertical de la cámara se ve limitada. </li><li> Instalar y Calibrar Tracking Software <ol><li> Instale el OptiTrack rígido Toolkit Cuerpo en el equipo de seguimiento utilizando el manual de instalación incluido. </li><li> Set Threshold, Exposición, Iluminación valores dependen de medio ambiente y ajusta la calidad de captura de alta, según se detalla en las instrucciones del software de seguimiento. </li><li> Para la captura de la varita, tenga cuidado para eliminar todo el material reflectante del espacio de trabajo 3D. Mueva suavemente a lo largo de la zona de trabajo de la cámara superposición con la varita reflexivo. Repetir hasta estándar y la media de los errores por debajo de &quot;0.5&quot; se obtienen a continuación, guarde el archivo de calibración. </li><li> Ajuste el plano de tierra para establecer un área de trabajo 3D rastreado origen de coordenadas del sistema. Definir las gafas 3D Wiimote y seguimiento de objetos como se detalla en las instrucciones del software de seguimiento. </li></ol></li><li> Completa VRUI Calibración <ol><li> Establecer VRUI aceptar tracking información de la computadora de seguimiento. </li><li> Verifique funcionalidad de seguimiento en VRUI usando DeviceTest utilidad de calibración. </li><li> Alinear pantalla VRUI 3D y software de seguimiento de los sistemas de coordenadas. </li><li> Ajuste la orientación de orugas gafas Wiimote y 3D utilizando AlignTrackingMarkers software alineación. </li></ol></li></ol> 3. Preparar Sistema de Modelado 3D para el Uso <ol><li> Antes de comenzar, quite todas las joyas de reflexión (es decir, relojes, pendientes, metales, etc.). No quite las gafas correctoras necesarias para centrarse en la pantalla. </li><li> Se monta el equipo para el sistema de visualización 3D / VR: <ol><li> Equipo Modeling </li><li> Equipo de seguimiento </li><li> Gran formato 3D con capacidad de TV </li><li> El cable de vídeo entre el modelado de la computadora y la televisión en 3D </li><li> Emisor de infrarrojos 3D para la TV 3D </li><li> Cables Ethernet para ordenadores de modelización y seguimiento </li><li> Wiimote con astas de seguimiento (controlador) </li><li>Gafas 3D con astas de seguimiento (gafas 3D) 5 </li></ol></li><li> Con cuidado, coloque el controlador en el que se puede llegar fácilmente desde modelos de computadora, teniendo cuidado de no tocar o mover los marcadores de seguimiento IR esféricas que se le atribuye. </li><li> Con cuidado, coloque las gafas 3D en soporte de TV (como antes, asegúrese de no tocar los marcadores reflectantes). </li><li> Conecte los tres cables USB de las cámaras de infrarrojos montados encima de la televisión en 3D a 3 puertos USB en el equipo de seguimiento, mientras está encendido en OFF. </li><li> Busque el control remoto del televisor 3D y colocarlo delante de la televisión en 3D. </li><li> Conecte el cable de vídeo a la tarjeta de vídeo en el ordenador el modelado y la entrada de vídeo de la televisión en 3D. También conectar el emisor de infrarrojos 3D para la salida de sincronización 3D de la televisión en 3D, y el lugar de emisor en la televisión de pie lado cercano de TV, apuntando hacia donde se utilizarán gafas. Tenga cuidado de no cambiar la posición de la TV calibrado. </li><li> Girar 3D TV ON antes de encender el equipo de modelado para bañoSeguro reconocimiento adecuado por el ordenador. </li><li> Encienda el modelado por ordenador. Una vez iniciado el modelado de equipo en un símbolo de inicio de sesión, inicie la sesión en el sistema LINUX equipo de modelado para una cuenta apropiada. </li><li> Una vez que el escritorio modelos de computadora está disponible, utilice el control remoto del televisor 3D para comprobar el estado de la conexión del cable de vídeo pulsando el botón &quot;info / i&quot;. Asegúrese de que la pantalla del televisor &quot;1920x1080 @ 60Hz&quot; en la esquina superior izquierda. Si no, reinicie el equipo de modelado para establecer adecuado reconocimiento de la televisión en 3D. También asegúrese de TV está en la salida MODO 3D 2, utilizando los menús de configuración de control remoto. </li><li> En el escritorio de la computadora de modelado, abra una ventana de terminal con varias pestañas. </li><li> En el equipo de seguimiento, verificar la dirección IP del adaptador Ethernet escribiendo &quot;ipconfig&quot; en una ventana de comandos. </li><li> En el equipo de modelado, abrir una pestaña de la ventana de terminal y comprobar en el archivo VRDevices.cfg que los «servidor» definela dirección IP del adaptador Ethernet equipo de seguimiento. </li><li> Si es necesario, modificar el «servidor» dirección IP en VRDevices.cfg para que coincida con el adaptador ethernet equipo de seguimiento, y guardar VRDevices.cfg. </li><li> En el equipo de seguimiento, iniciar el software rígido Herramienta Cuerpo OptiTrack. </li><li> Deje que el software para abrir por completo, haga clic en el botón grande cerca del menú superior denominada &quot;Resultado de calibración de carga&quot;. </li><li> Busque y abra el archivo de calibración de la cámara correspondiente. </li><li> Una vez cargado el archivo, haga clic en el menú &quot;Archivo&quot; y seleccione &quot;definiciones de cuerpo rígido de carga&quot;. </li><li> Busque y abra el archivo de definición de cuerpo rígido adecuado para el controlador de seguimiento y gafas 3D. </li><li> En el panel de la derecha del software de seguimiento, busque la sección denominada &quot;Streaming&quot;, expanda la sección y en la categoría &quot;VRPN Streaming&quot;, compruebe que el número de puerto que aparece es 3883, entonces revise el &quot;amplio&quot;caja dentro de los&quot; datos de marco fundido categoría VRPN Streaming Engine &quot;. </li><li> En el equipo de modelado, asegúrese de que el controlador está bien directamente en la mano o inmediatamente alcanzable (2 segundos de distancia como máximo). </li><li> En el equipo de modelado, abrir una pestaña en la ventana de terminal creado anteriormente en esta sesión y navegue hasta y después iniciar el software VRDeviceDaemon, por ejemplo, si escribes &quot;./VRDeviceDaemon&quot;. </li><li> Siga las indicaciones de si la actividad se ha realizado correctamente, la ventana se muestran ahora &quot;botones de presión 1 y 2 en el Wiimote al mismo tiempo.&quot; &quot;VRDeviceServer: Esperando la conexión del cliente&quot;. </li></ol> 4. Sistema de Visualización de prueba 3D / VR Uso de Software NCK El siguiente conjunto de instrucciones se describe cómo utilizar el software NCK menús en pantalla para establecer funciones de la herramienta del controlador, y luego cómo construir y manipular un nanotu carbonoestar en el espacio de trabajo 3D / VR de átomos de carbono constituyentes (Figura 4). Las instrucciones sobre cómo medir los ángulos y distancias (paso 4.4.10) de bonos resultantes están disponibles en línea 10. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Estudiante de pregrado mediante el sistema de visualización 3D / VR para estudiar los nanotubos de carbono (CNT) Fotos (A) -.. (F) muestran el proceso de construcción de una sola de paredes CNT <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .</a> <ol><li> Dentro de la ventana de terminal de modelado informático creado en el paso 3.11, seleccione la tercera pestaña. Para iniciar el software NCK, navegue hasta el directorio de instalación de NCK y el tipo: &quot;./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 &quot;. </li><li> Al ser muy cuidadoso de no tocar o aflojar los marcadores de seguimiento adjuntos, se puso las gafas 3D y coger el mando. Ajuste la posición de visualización de cabeza / gafas para garantizar gafas 3D están recibiendo 3D TV IR emisor de señal de sincronización, que permite la visualización 3D / VR de la pantalla de TV. </li><li> Con el fin de tener un conjunto de herramientas para añadir, mover y eliminar átomos, asignar asociaciones de comando del NCK a los botones en el controlador de la siguiente manera: <ol><li> Abra el menú principal de NCK en pantalla pulsando y manteniendo pulsado el botón de inicio en el Wiimote, navegando hacia y seleccionando la opción &quot;Invalidar Herramientas&quot; del menú, y luego soltar el botón Inicio. Esto permite la asignación de comandos a diferentes botones en el controlador independientemente uno de otro. </li><li> Para asociar el botón disparador Wiimote (en la parte inferior del controlador) con la acción de la manipulación de átomos dentro de NCK, mantenga presionado el botón de disparo, navegar por el menú NCK en pantalla a &amp; #8220; Dragger &quot;y seleccione&quot; 6-DOF Dragger &quot;, a continuación, suelte el gatillo. El gatillo está ahora asociada con la acción de la manipulación de los átomos. </li><li> Para asignar la función de agregar a un átomo para el botón &quot;+&quot; en el Wiimote, traer el menú principal pulsando y manteniendo pulsado el botón Inicio, vaya a &quot;Tipos de unidad estructural&quot;, y seleccione &quot;Triángulo&quot;, luego suelte el botón de Inicio . </li><li> A continuación pulse y mantenga presionado el botón &quot;+&quot;, vaya a &quot;Dragger,&quot; y seleccione &quot;6-DOF Dragger&quot;, luego suelte el botón &quot;+&quot;. El botón &quot;+&quot; se asocia ahora con la creación de nuevos átomos del tipo seleccionado (átomos de carbono representados por triángulos, en este caso). </li><li> Para asignar la función de eliminación de un átomo hasta el botón &quot;-&quot; en el Wiimote, abrir el menú principal pulsando y manteniendo pulsado el botón &quot;Inicio&quot;, a continuación, vaya a &quot;tipos de unidades estructurales&quot;, y seleccione &amp; #8220; Eliminar unidades seleccionadas &quot;, a continuación, suelte el botón Inicio. </li><li> A continuación, presione y mantenga presionado el botón -, vaya a &quot;Dragger&quot;, luego &quot;6-DOF Dragger,&quot; y suelte el &quot;&quot; botón &quot;-&quot;. El botón &quot;-&quot; se asocia ahora con átomos de borrar. </li><li> Seguir un procedimiento similar para asignar las funciones de &quot;bloquear unidades seleccionadas&quot; al botón Wiimote &quot;1&quot;, y &quot;Desbloquear unidades seleccionadas&quot; al botón de mando &quot;2&quot;. </li></ol></li><li> Una vez que los botones del controlador se han configurado, cree un nanotubo de carbono utilizando NCK de la siguiente manera: <ol><li> Con el botón &quot;+&quot;, agregue dos átomos de carbono triangulares de 3 bonos para el espacio de trabajo del NCK. Manipular estas usando el botón de disparo hasta que se unen en un vértice. </li><li> Añadir 4 más átomos de carbono para crear una forma de estrella hexagonal. </li><li> Uso del menú &quot;Inicio&quot;, vaya a, luego &quot;Guardar&quot; Unidades de E / S de los menús &quot;. </li><li> Mueva la estructura puntiaguda 6 de su posición actual. </li><li> Uso del menú &quot;Inicio&quot;, vaya a &quot;E / S Menús&quot;, luego en &quot;unidades de carga. </li><li> Repetir los últimos 2 pasos hasta una hoja de 6 por 6 de anillos hexagonales 6-átomo ha sido creado (Figura 5A). </li><li> Con el botón &quot;1&quot;, bloquear un átomo en la fila superior, y un átomo de oposición en la fila inferior. Los átomos cerradas serán marcados con un color rosa (Figura 5B). </li><li> Con el botón de disparo, mover con cuidado uno de los átomos encerrados en un arco circular hasta su vértice libre se acerca al vértice libre del átomo bloqueado opuestas. Una línea verde aparecerá entre los vértices cuando están tan cerca que la atracción atómica hará que se unen con un lazo (Figura 5C). Una vez unido con éxito, desbloquear ambos átomos utilizando el botón &quot;2&quot;. </li><li> Continuar similar de bloqueo, unión y desbloquear oponerse ver atómicacas en la hoja de carbono, de manera efectiva &quot;comprimir&quot; la hoja en un nanotubo de carbono final (Figuras 5D-5F). <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. paso a paso creación de una sola pared CNT que muestra (A) una hoja de 6 x 6 (grafeno) de anillos de carbono hexagonales, (B) opuesta a átomos de carbono &quot;bloqueado&quot; (mostrado como triángulos rosas) para permitir la manipulación más fácil contra fuerzas interatómicas realistas, (C) de carbono (grafeno) cuidadosamente hoja curvada para permitir la unión entre los átomos en lados opuestos, (D) dos átomos de carbono adicionales opuestas cerradas para ayudar más a la curvatura lámina de carbono, (E) átomos de carbono opuestos adicionales unidos a carbono continuar hoja de curvatura en un nanotubo, y (F) CNT final formado después de la unión secuencial de átomos opuestos de la c originaleshoja arbon (grafeno). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> </li><li> Cuando el nanotubo es completa, utilice las herramientas de medición en la pantalla para confirmar ángulos estructurales y distancias 10. </li></ol></li></ol> 5. Visualización de simulación dinámica molecular Modelos <ol><li> Importación de un modelo inicial cúbica SiO 2 cristalino en el software 3D / VR NCK, e investigar la estructura inicial (ver Figura 2 A). </li><li> Programas de código abierto MDCASK 11 y LAMMPS 12 fueron atacados debido a las características que se adapta bien a este enfoque de la investigación. Este último programa se utiliza en este trabajo debido a sus variadas posibilidades interatómicas y la capacidad de cálculo en la GPU. Usando el paquete LAMMPS MD 12, ejecute una fusión simulada / apagar procedimiento en esta estructura inicial para producir un SiO2 amorfo st<html> ructure. Los detalles sobre este procedimiento simulado se pueden encontrar en publicaciones anteriores 13-15. </li><li> Importar el nuevo amorfo (desordenada) SiO modelo resultante 2 en el software 3D / VR NCK e investigar la estructura (ver Figura 2B). </li><li> Crear un SiO2 nanospring / nanocinta de la nueva sólido amorfo utilizando el código de fuente abierta NanospringCarver 16 y asociada de instrucción documentación 17 (Figura 6). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Ilustración del proceso de paso-a-paso de selección átomo en diferentes etapas en la creación de un nanospring utilizando el programa NanospringCarver Parts. (A - D) indican 25%, 50%, 75% y 100% finalización de este proceso 17.target = &quot;_ blank&quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. </li><li> Utilice el paquete LAMMPS MD para realizar simulaciones de tensión en la nanospring / nanocinta (Figura 7). Los detalles sobre este procedimiento se pueden encontrar en una publicación anterior 15. <img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. imagen instantánea de los resultados LAMMPS MD helicoidal sílice nanoestructura (nanocinta) de simulación de tracción. </li><li> Utilice el código abierto herramientas de software VMD (Visualizar Molecular Dynamics) 18 ImageMagick 19, y 20 de FFmpeg para crear instantáneas y la animación de la nanoestructura helicoidal a lo largo de esta simulación (animación Figura 1), para su presentación en el Sistema de Visualización 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una v más grande</a>ersión de esta figura. </li></ol> <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/Animated_Fig1-movie NR-0140_frames.mov" target="_blank">Figura Animated 1</a> . Animación de simulación helicoidal tracción nanoestructura.

<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>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Los elementos críticos en la instalación exitosa y el uso del sistema de visualización 3D / VR se detallan en el entorno físico y Consideraciones de diseño y consideraciones especiales en materiales complementarios. Consideraciones importantes de instalación incluyen la altura de la pantalla 3D para una cómoda posición a largo plazo o el uso sentado, maximizan el seguimiento de cámara montada altura para crear una gran área de trabajo 3D, cámara de seguimiento estable y sopor...

La ciencia de materiales es un campo interdisciplinario que examina las relaciones entre estructura y propiedades de la materia para su aplicación a muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Como las relaciones estructura-propiedad se investigan a través de simulaciones por ordenador, además de la experimentación, herramientas computacionales ofrecen características complementarias que pueden mejorar los esfuerzos de investigación. Mientras que los nanomateriales son de interés para los científicos y tienen valor redentor por su potencial impacto social, este régimen tamaño está llena de muchos desafíos que se encuentran sobre todo en la experimentación. Las simulaciones por ordenador permiten a los científicos e ingenieros para realizar pruebas especializadas en una gran variedad de entornos limitados sólo por el tiempo y los recursos computacionales. La dinámica molecular (MD) simulaciones permiten que el momento adecuado y la longitud escalas para estudiar los fenómenos de interés en muchos nanomateriales. Simulaciones ampliar el estudio de materiales mediante la eliminación de las restricciones de la tél laboratorio físico, sin embargo, muchos carecen de herramientas computacionales, interfaces intuitivos accesibles para la investigación. Mejora con la representación gráfica de los modelos, algoritmos computacionales eficientes, y la unidad de procesamiento gráfico (GPU) informática basada complementar los esfuerzos actuales de simulación. Estos nuevos dispositivos gráficos se combinan con las unidades centrales de proceso eficiente para permitir cálculos matemáticamente intensivas para llevar a cabo por la GPU. El resultado es una aceleración eficaz de cálculo del orden de 10 veces acompañada de una reducción en el consumo de energía de hasta 20x. El objetivo de este proyecto de investigación fue desarrollar e implementar un nuevo instrumento para la investigación de nanociencia que se conecta directamente una interfaz interactiva de simulaciones MD, análisis de la ciencia de materiales y la visualización en 3D. Este innovador sistema con capacidades de análisis únicas y poderosas se ha utilizado para la investigación a nanoescala y la educación en la UC Merced, con implicaciones directas a otra rel<html> campos de STEM ciones que conlleva, como la nanotecnología, la física, la biología y la geología, y la última ventaja a la educación y la sociedad. El sistema de visualización 3D / VR se implementó tanto como un instrumento de investigación y enseñanza que permite la creación y manipulación de estructuras atómicas en una realidad virtual interactiva 3D (VR) medio ambiente. El sistema fue creado a partir de un conjunto de relativamente bajo costo y componentes accesibles siguiendo el modelo desarrollado originalmente por el Dr. Oliver Kreylos en UC Davis 1. A continuación se muestra una foto de la disposición final 3D Visualization System / VR, con importantes componentes marcados (Figura 1). Este sistema fue establecido originalmente para fines de educación en la UC Merced en 2009. La implementación del sistema original 3D / VR resultó en publicaciones revisadas por pares 2-3. La Tabla 1 resume las principales características de cada elemento del sistema de visualización 3D / VR. ntent &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Sistema de Visualización 3D / VR y los componentes principales (izquierda) en el Laboratorio de Investigación de Dávila en UCM y dispositivos de visualización (derecha). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Artículo </td><td> Componente </td><td> Funcionalidad en el Sistema </td></tr><tr><td> La </td><td> TV 3D </td><td> Visualización en 3D de estructuras moleculares modelados y menús en pantalla. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infrarrojos (IR) cámaras de seguimiento 4 </td><td> Cámaras IR posiciones de pista de las gafas de visión Wiimote y 3D en el espacio de trabajo del usuario delante de la televisión en 3D, lo que permite virmanipulación tual 3D de las estructuras mostradas. </td></tr><tr><td> C </td><td> PC Seguimiento </td><td> Ejecuta software de seguimiento de la cámara de infrarrojos y transmite Wiimote y 3D posiciones gafas de modelos informáticos. </td></tr><tr><td> D </td><td> Wiimote </td><td> Se utiliza para la gestión de la pantalla del software de modelado y manipular las estructuras en el entorno virtual en 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> Gafas 3D 5 </td><td> Sincronizada con la señal 3D TV IR, permitir vista 3D de la estructura. Posición seguido por las cámaras de infrarrojos para visión precisa 3D. </td></tr><tr><td> F </td><td> Modelado PC </td><td> Ejecuta NCK / VRUI 3D modelado y visualización de software 6, acepta señales gafas / posición y control Wiimote para crear precisa vista de la estructura molecular en 3D. </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Funciones de los principales elementos del sistema de visualización 3D / VR en la UCM. Description del sistema de visualización 3D / VR y componentes básicos: 3D / VR Visualización Descripción general del sistema - El 3D / VR Sistema de visualización se compone de un conjunto de cámaras de infrarrojos y software de seguimiento que funciona en conjunción con software de modelado 3D para permitir a un usuario crear de forma interactiva en 3D de estructuras moleculares. Las cámaras y software IR rastrear la ubicación 3D de un Wiimote y 3D gafas de visión utilizando marcadores IR, y así pasan al software de modelado. El software de modelado utiliza las señales de control Wiimote y el movimiento para generar estructuras moleculares en 3D se puede ver con la combinación de una televisión de gran formato con capacidad 3D con las gafas 3D sincronizadas y orugas. Esto resulta en una realidad virtual 3D espacio de trabajo dentro de la cual el usuario puede crear y manipular las estructuras moleculares virtuales que reflejen el comportamiento físico del mundo real basado en las fuerzas inter-atómicas utilizadas en el software de modelado (Figura 2) de forma dinámica. Considerati especialescomplementos para la creación de este sistema se puede encontrar en los materiales suplementarios. <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. La investigación de nanomateriales de sílice utilizando el sistema de visualización 3D / VR. (A) Un investigador crea un modelo cristobalita inicial (cristalino) antes de simulaciones basadas en la GPU. (B) En el momento de realizar un procedimiento de fusión de enfriamiento MD simulada en el modelo se muestra en (a), otro investigador obtiene un modelo de vidrio de sílice (no cristalino). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 3D / VR Visualization System Enhancement - MD Simulación Capacidad: La dinámica molecular de sistemas de simulación se aplican comúnmente en unamoda multi-nodal, es decir, una gran carga de trabajo se distribuye o paralelizado entre decenas de miles de procesadores. Recientemente, oportunidades adicionales para la computación científica acelerada han surgido de los desarrollos en el procesamiento de gráficos por ordenador. Estos avances incluyen una interfaz de software que permite a los científicos aprovechan la naturaleza altamente paralela de la potencia de procesamiento intrínseca a los chips gráficos. Con el advenimiento de la Compute Unified Device Architecture o CUDA 7, los científicos pueden utilizar las GPU 8 para mejorar la velocidad a la que los problemas se resuelven al tiempo que reduce el coste de la infraestructura. Una GPU típica puede tener el equivalente de cientos a miles de núcleos o &quot;nodos&quot; para el procesamiento de la información, y como éstas se pueden utilizar en paralelo, una solución bien codificado-puede proporcionar hasta 1.000 x aceleración rendimiento frente a su contraparte de varios núcleos . Aunque no todos los problemas se adapta bien a este enfoque, MD simulaciones actuales han visto hasta 15x rendimiento de procesamiento gana 9. Los detalles sobre la mejora MD-GPU sistema de visualización 3D / VR se pueden encontrar en los materiales complementarios.

<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

El creciente desarrollo de la computación (hardware y software) en las últimas décadas ha impactado la investigación científica en muchos campos, incluyendo la ciencia de materiales, la biología, la química y la física, entre muchos otros. Un nuevo sistema computacional para la simulación precisa y rápida y la visualización 3D / VR de nanoestructuras se presenta aquí, utilizando el código abierto dinámica molecular (MD) programa informático LAMMPS. Este método de cálculo alternativo utiliza procesadores gráficos modernos, la tecnología NVIDIA CUDA y códigos científicos especializados para superar las barreras de velocidad de procesamiento comunes a los métodos tradicionales de computación. En conjunción con un sistema de realidad virtual que se usa para modelar materiales, esta mejora permite la adición de capacidad de simulación MD acelerado. La motivación es proporcionar un entorno de investigación novedosa que permite simultáneamente la visualización, simulación, modelado y análisis. El objetivo de la investigación es investigar la estructura y las propiedades de n inorgánicaanostructures (por ejemplo, nanosprings vidrio de sílice) bajo diferentes condiciones que utilizan este sistema computacional innovador. El trabajo que se presenta describe una descripción del sistema de visualización 3D / VR y componentes básicos, una visión general de los aspectos importantes, tales como el medio físico, los detalles sobre la configuración y el uso del nuevo sistema, un procedimiento general para la mejora de MD acelerado, información técnica , y las observaciones pertinentes. El impacto de este trabajo es la creación de un sistema computacional único que combina materiales a nanoescala simulación, visualización e interactividad en un entorno virtual, que es a la vez un instrumento de investigación y la docencia en la Universidad de California Merced.

Este 3D / VR Sistema de visualización presenta nuevas oportunidades para la realización de estudios de la ciencia de materiales. Como este entorno inmersivo opera en tiempo real, en la forma de entrada 3D y la pantalla, el investigador se presenta con un instrumento totalmente interactivo nanométrica 2. Siguiendo el protocolo presentado aquí, un nanocinta helicoidal de sílice se ha creado de esta manera paso a paso. Una instantánea de esta estructura producida a partir de LAMMPS MD se muestra en <strong...

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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.

Novela 3D / VR Interactivo Medio Ambiente para MD simulaciones, visualización y análisis

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

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

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

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

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

Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

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

Investigación

Ingeniería

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

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

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

Nanohelices escalables para estudios predictivos y mejorada visualización 3D

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

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

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

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

Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido

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.

Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

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.

Alta Fabrication Temperatura de-estabilizada con itria-óxido de circonio andamios nanoestructurados (YSZ) por<em&gt; In Situ</em&gt; carbono Templating xerogeles

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.

Directrices y experiencia en el uso de biomarcadores Explorer (IBEX) la proyección de imagen de 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).

Análisis de la aplicabilidad de los métodos de evaluación de parámetros morfológicos de las barras de acero corroído

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.

Monitoreo de grietas en las pruebas de fatiga por resonancia de especímenes soldados utilizando la correlación de imágenes digitales

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.

Cirugía y procesamiento de muestras para imágenes correlativas de la válvula pulmonar murina

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.

Sistema de experimentación en línea interactivo y visualizado para la educación e investigación en ingeniería

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