Les auteurs tiennent à remercier Tim Allis à l&#39;UC Merced pour son aide dans ce projet. Le programme de la NSF-pièces à la prise en charge UCM (KAM) dans une première partie de ce travail. Un prix NSF-Brige soutenu co-auteurs (BND et KAM), en fournissant des fonds pour ce travail et les frais de déplacement à des conférences. Le groupe de recherche tient à remercier en premier lieu la National Science Foundation pour financer ce travail par un prix de Brige. Ce matériel est basé sur des travaux appuyés par la National Science Foundation Grant n ° 1032653.

1. Préparer les fichiers NanospringCarver et partir MATLAB sur un PC sous Linux Les étapes suivantes sont conçues pour une utilisation générale d&#39;utiliser les fichiers fournis en ligne 26. <ol><li> Décompressez l&#39;archive de fichier nanosprings.tar.gz dans la &quot;Home&quot; ou un autre répertoire préféré. <ol><li> Télécharger le fichier d&#39;archive nanosprings.tar.gz depuis le dépôt de la bande 26. </li><li> Localisez l&#39;archive téléchargée et le déplacer vers un répertoire de travail préféré intitulé «Documents / Nanosprings&quot;. </li><li> Faites un clic droit nanosprings.tar.gz et sélectionnez &quot;extraire ici&quot; dans le menu contextuel du clic droit. </li></ol></li><li> Vérifiez que tous les fichiers nécessaires sont présents dans le répertoire courant. Une liste de ces fichiers et leur but suit: Makefile - géré manuellement le fichier de compilation pour nanosprings.cpp et Point.cpp Nanospinternes rings.fig -MATLAB GUI Code Nanosprings.m -MATLAB GUI Point.cpp - Point (atome) définition de la classe Point.h - Point (atome) tête de classe Carve - nanosprings exécutable autonome example.par - exemple de fichier de paramètre glasscube.inp - fichier de données glasscube nanosprings.cpp - code nanosprings principal nanosprings_diagram.jpg - exemple nanospring pour l&#39;affichage nanosprings.cpp MATLAB intégré - nanospringsmex.cpp nanospringsmex.mexglx - nanosprings MATLAB intégré exécutable Remarque: L&#39;utilisateur devra créer le &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; fichier exécutable pour la machine particulière Linux utilisée (version 32 bits dans cet exemple). Si cela n&#39;a pas encore été fait, vérifier l&#39;accès à la &quot;mex&quot; compilateur MATLABen tapant sur ​​la ligne de commande &quot;qui Mex&quot; et de vérifier l&#39;existence du programme. Vérifiez également l&#39;accès au programme MATLAB en tapant sur ​​la ligne de commande &quot;qui matlab&quot;. Utilisation d&#39;une ligne de commande à taper &quot;MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp&quot; va créer le fichier &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; exécutable MATLAB intégré NanospringCarver, comme indiqué dans les instructions ci-dessous. Bien que non requis pour l&#39;interface graphique, si on le souhaite une version autonome du programme NanospringCarver peuvent être créés en tapant &quot;make&quot; sur une ligne de commande. Cela compilera le nanosprings.cpp et éléments de programme Point.cpp ensemble pour créer la &quot;tailler&quot; fichier exécutable. Dans ce tutoriel, le &quot;glasscube.inp&quot; fichier contient des informations de position pour 192 000 atomes de silicium et d&#39;oxygène representin<html> bc modèle de verre de silice, avec chaque ligne contenant un code d&#39;atome, le type d&#39;atome, et x, y, z les coordonnées de l&#39;atome. La première ligne du fichier est le nombre d&#39;atomes totale (192 000). Les coordonnées atomiques dans ce fichier sont des valeurs relatives, qui se sont multipliés par 0,716 représenterait distances nanométriques. </li><li> Sur le bureau, ouvrez une fenêtre de terminal. Sur plusieurs versions de LINUX accomplir ce en appuyant simultanément sur la touche &quot;Ctrl&quot;, les touches &quot;T&quot; &quot;Alt&quot; et. </li><li> Modifiez le répertoire pour le dossier dans lequel les fichiers de projet de nanosprings ont été extraites en tapant: Documents cd / Nanosprings / </li><li> Ensuite, exécutez la commande pour compiler le binaire pour le système en tapant: mex nanospringsmex.cpp Point.cpp </li><li> Initier Suivant MATLAB en tapant matlab sur la ligne de commande </li></ol> 2. Modification et utilisation d&#39;une interface utilisateur graphique (GUI) pour le Programme NanospringCarver ove_content &quot;&gt; Suivez les étapes ci-dessous à l&#39;aide des fichiers fournis en ligne 26. <ol><li> Ouvrez le guide dans MATLAB en cliquant sur ​​l&#39;icône de guidage, sur la gauche zone de barre d&#39;outils supérieure (figure 2), pour afficher une nouvelle fenêtre avec le démarrage rapide de guidage (Figure 3). </li></ol><img alt="Figure 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" /> Figure 2: Interface utilisateur MATLAB montrant comment ouvrir MATLAB GUIDE. <img alt="Figure 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" /> Figure 3: GUIDE MATLAB l&#39;interface d&#39;initialisation. <ol start="2"><li> Utilisez l&#39;onglet &quot;Ouvrir l&#39;interface graphique existante» (figure 4) pour modifier un chiffre existant. Cliquez sur le bouton &quot;Parcourir&quot; pour rechercher l&#39;interface graphique existantechiffre à modifier. Après avoir sélectionné le fichier de figure (Nanosprings.fig, voir encadré bleu), cliquez sur &quot;Open&quot; sur les deux fenêtres pour afficher une nouvelle fenêtre avec la figure de l&#39;interface graphique. Repérez les boutons disponibles pour être utilisés pour la création graphique sur le panneau de gauche (figure 5). </li></ol><img alt="Figure 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" /> Figure 4: Interface GUIDE MATLAB montrant comment ouvrir un fichier graphique de la figure existante. <img alt="Figure 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" /> Figure 5: interface GUIDE MATLAB outils montrant pour modifier un chiffre d&#39;interface existant. <ol start="3"><li> Pour exécuter l&#39;interface graphique, cliquez sur &quot;Exécuter&quot; dans le cadre du &quot;Outils &quot;du menu. Puis, cliquez sur &quot;Oui&quot; quand une fenêtre pop-up demande si vous souhaitez enregistrer le chiffre avant la course. Une nouvelle fenêtre affiche l&#39;interface graphique modifiée. </li><li> Si nécessaire, créer une autre interface graphique pour un matériau spécifique différent en utilisant cette interface comme un exemple. </li><li> Pour configurer l&#39;exemple terme, cliquez d&#39;abord sur le bouton «Sélectionner le fichier de modèle d&#39;entrée&quot; en haut de l&#39;interface graphique et accédez à la &quot;glasscube.inp&quot; fichier. Sélectionnez ce fichier et cliquez sur «Ouvrir» pour fermer la fenêtre de navigation. Le fichier d&#39;entrée sélectionné et chemin d&#39;accès devraient maintenant apparaître dans la fenêtre de l&#39;interface graphique à la droite du bouton &quot;fichier de modèle d&#39;entrée sélectionnés&quot; (Figure 6). </li></ol><img alt="Figure 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" /> Figure 6: Capture d&#39;écran de l&#39;utilisation de l&#39;interface graphique pour créer un exemple de la silice modèle de nanospring. <ol start="6"><li> Ensuite, utilisez le bouton &quot;Parcourir&quot; dans la section &quot;Sortie du modèle&quot; pour rechercher et sélectionner le répertoire pour enregistrer le modèle de sortie en. Assurez-vous que le répertoire de sortie est sélectionné activement pour que la course soit activé, même si il est un répertoire de sortie déjà répertorié dans la fenêtre d&#39;accompagnement à la droite de ce bouton. Remarque: La valeur &quot;Advance Paramètres Distance minimale&quot; figurant (0.209311 figure 6) a été calculé spécifiquement pour le &quot;glasscube.inp&quot; fichier d&#39;entrée fourni dans cet exemple, et devrait être laissé tel quel. Cette valeur peut être calculée comme nécessaire lors de la première utilisation d&#39;un fichier d&#39;entrée différent en entrant une valeur de &quot;0&quot; à cet endroit avant d&#39;exécuter le modèle. Dans cet exemple, toutes les valeurs de paramètres sont en unités relatives en fonction du système de coordonnées d&#39;entrée atomique. Si multiplié par 0,716 les valeurs des paramètres représenteraient distances nanométriques. &lt;/ Li&gt; <li> Exécutez l&#39;exemple en utilisant les paramètres du ressort données de r = 1,0, R = 5.0, p = 1,5, et d = 0,209311 en appuyant sur ​​le bouton de l&#39;interface graphique &quot;Exécuter&quot;. Voir les commentaires de la course dans la fenêtre de commande MATLAB (Figure 7). Dans la réaction, vérifier que les paramètres de ressort sont confirmées, que le fichier de données d&#39;entrée sont lues avec succès, et les résultats stockés dans le fichier de sortie appelé &quot;modèle&quot; sont décrits. </li></ol><img alt="Figure 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" /> Figure 7: Commande MATLAB commentaires de course Nanosprings base-fenêtre GUI. Remarque: Dans l&#39;exemple ci-dessus, le «modèle» de fichier contient 5176 atomes constituant le ressort désiré, un par ligne, avec la première ligne donnant le nombre total d&#39;atomesdans le fichier. Chaque ligne définissant un atome comprend l&#39;identificateur d&#39;atomes, le type d&#39;atome, et x, y, z de cet atome. <ol start="8"><li> Une fois l&#39;interface graphique est finalisé, effectuer passages successifs par un clic droit sur ​​&quot;Nanosprings.m&quot; dans MATLAB «dossier actuel&quot; fenêtre, puis sur &quot;Exécuter&quot; pour faire apparaître l&#39;interface graphique directement. Note: Diverses références sont répertoriées 27-31 pour plus d&#39;informations sur MATLAB GUIDE et l&#39;interface de guide de base. </li></ol> 3. Vérification NanospringCarver résultats dans un Visualizer Open-source 19 Les étapes suivantes sont conçues pour un mode général de visualiser et de vérifier les modèles de ressorts de sortie créés par NanospringCarver. <ol><li> Utilisez le NanospringCarver MATLAB GUI comme décrit ci-dessus pour générer des fichiers pour l&#39;entrée dans le programme de visualisation 19. Lors de l&#39;exécution du programme de visualisation, utilisez le &quot;point actimangé fichier &quot;option d&#39;entrée, distinguer les différents types d&#39;atomes par couleur, puis sélectionnez une grille frontière de l&#39;axe du champ. </li><li> Mesurer les distances dans les modèles de printemps et faire une trace d&#39;eux. </li><li> Comparez les données obtenues contre dimensions de printemps souhaités et vérifier l&#39;exactitude modèle de printemps. </li></ol> 4. À l&#39;aide NanospringCarver Résultats de simulations de MD traction Nanosprings Les étapes suivantes sont résumées pour un utilisateur général d&#39;utiliser les modèles de printemps créés par NanospringCarver comme entrée d&#39;un open-source code MD conventionnel 32. <ol><li> Télécharger la dernière version de l&#39;open-source programme MD LAMMPS. Reportez-vous à la documentation en ligne associée à des manuels et des exemples. </li><li> Déterminer les dimensions du modèle de nanospring souhaitée afin de préparer le modèle approprié de verre de silice en vrac initiale, comme indiqué avant 18. </li><li> Créer le modèle de nanospring désiré en utilisant le NanospringCarver MATLAB GUI (voir Section 2 ci-dessus). </li><li> Effectuer des simulations de traction sur la nanospring souhaité, en étirant le modèle axialement 11,13,23. Produire une vidéo représentant de modèle de nanospring étiré (voir figure 8, ci-dessous, et la figure animée 1) pour la visualisation et l&#39;analyse. Les résultats scientifiques sur le comportement contrainte-déformation et la raideur de plusieurs modèles de nanospring sous tension ont été signalés ailleurs 23. </li></ol><img alt="Figure 8" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" /> Figure 8: Capture d&#39;écran d&#39;un nanospring de silice lors de la simulation de traction (voir également animé Figure 1).

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Les auteurs déclarent qu&#39;ils ont aucun intérêt financier concurrents.

Modification de l&#39;approche originale de créer des structures nanohelical conduit à l&#39;élaboration de deux codes distincts pour permettre la création de deux nanorubans et nanosprings partir d&#39;un modèle initial de MD en verre de silice en vrac. La vérification des modèles de nanoruban de silice et nanospring a été poursuivi en utilisant différents logiciels 19-20, qui ont confirmé leur précision dimensionnelle dans la capacité de mesure des programmes. Comparaison entre nanosprings et n...

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

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

Nanostructures hélicoïdaux sont généralement produites en laboratoire par vapeur chimique des techniques de dépôt 1-2, tandis que de nouvelles approches ont été rapportés dans la littérature 3. En particulier nanosprings et nanorubans ont été étudiés en raison de leurs propriétés distinctes et des applications prometteuses dans les capteurs, optiques et des dispositifs électromécaniques et fluidiques 4-7. méthodes de synthèse ont été signalés à produire de la silice (SiO 2) nanorubans, faisant de ces structures potentielles unités de blocs de construction pour les systèmes hiérarchiques. Synthèse roman de nanosprings de silice 3D a élargi leurs applications à chemiresistors lorsqu&#39;il est revêtu d&#39;ZnO 8 ou nanoparticules pour des applications de diagnostic 9-10. Des études expérimentales sur les propriétés mécaniques de nanosprings de silice et nanorubans sont rares, principalement en raison des limites actuelles de manipulation et d&#39;essai et equipment. Les enquêtes sur les nano-des nanostructures et nanosprings ont été rapportés en utilisant la théorie et simulations 11-14. Certaines simulations ont porté sur 13 nanomécaniques comportement de nanosprings amorphes, car ils peuvent explorer des régimes pas entièrement accessibles par l&#39;expérimentation. Études atomiques de nanosprings métalliques ont été rapportés dans la littérature pour étudier la dépendance de la taille des propriétés élastiques 15, et plus récemment les nano-des nanostructures de silice hélicoïdal cristallines 14. Expérimentation des structures de nanospring a également été réalisée dans différents matériaux tels que les nanostructures de carbone hélicoïdaux et nanocoils de carbone 16-17. En dépit de la connaissance recueillie jusqu&#39;à présent, une compréhension plus complète des caractéristiques mécaniques de ces nouveaux nanostructures est nécessaire pour les futurs efforts de fabrication nanodispositif. Comme les études de silice g MDlass (silice non cristalline) nanohelices sont encore assez limitées, la modélisation atomistique de ces structures nécessite la création de codes personnalisés. Pas d&#39;autres méthodes alternatives de création de modèles de MD hélicoïdaux de verre de silice ont été identifiés à ce jour sur la recherche récente de la littérature. Dans ce travail, une approche bottom-up à la modélisation atomistique de nanostructures hélicoïdales de verre de silice dont nanosprings et nanorubans est poursuivi pour les futures grandes simulations MD nanomécaniques. L&#39;approche générale consiste en la création d&#39;un &quot;gros&quot; modèle de verre de silice MD comme indiqué précédemment 18, et tailler différentes nanostructures hélicoïdales de cet échantillon &quot;en vrac&quot; via deux codes informatiques robustes et adaptables développés à cet effet. Les deux méthodes de calcul offrent une manière distincte pour créer des modèles de nanoruban et nanospring avec une grande efficacité et détail atomistique; ces structures sont adaptés à grande échelle simulations atomiques.En outre, une interface graphique d&#39;utilisateur personnalisée est utilisée pour faciliter la création et la visualisation des structures hélicoïdales. La structure du &quot;vrac&quot; modèle de verre de silice est d&#39;abord créé à la température ambiante. Simulations de DM à grande échelle sont menées à cet effet à l&#39;aide du Garofalini interatomique potentiel similaire à des études antérieures 18, ce qui est relativement efficace et appropriée de calcul pour les grands systèmes. La structure &quot;en vrac&quot; en verre de silice initial est composé d&#39;un modèle cubique (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm) qui contient 192 000 atomes. Le modèle de verre de silice &quot;en vrac&quot; est équilibrée à 300 K pendant 0,5 ns pour obtenir l&#39;état initial en utilisant des conditions limites périodiques. Deux méthodes de calcul sont conçus et utilisés pour créer des modèles de nanoruban de silice et nanospring atomiques. La première méthode consiste à tailler nanorubans de silice à partir dela structure &quot;en vrac&quot; à l&#39;aide des équations paramétriques qui définissent une hélice, et sa géométrie (hauteur, le rayon de l&#39;hélice, et le rayon du fil). Cette procédure inclut l&#39;utilisation de la langue de programmation AWK, le système d&#39;exploitation LINUX, et open-source du logiciel de visualisation 19. La procédure itérative général de créer des modèles atomiques de nanorubans consiste à: (1) la sélection d&#39;un atome dans le modèle de verre de silice &quot;en vrac&quot;, (2) calcul de la distance à partir de l&#39;atome sélectionné à un point dans l&#39;espace sur une fonction hélicoïdal pré-défini, (3) la comparaison de cette distance au rayon de la nanoruban souhaitée, et (4) le rejet ou le maintien de l&#39;atome en un modèle de données de sortie. Une description étape par étape détaillée de cette méthode est incluse dans les codes évolutive Open-Source supplément de matériel. Avec cette méthode, plusieurs nanorubans de silice ont été créés en utilisant hauteur différente, rayon de valeurs de l&#39;hélice et du rayon de nanoruban, qui ont été évalués par la suitepour la précision contre les valeurs dimensionnelles désirées avec l&#39;analyse moléculaire et logiciels de visualisation 19-20. Modèles atomiques de nanorubans de silice ont été générés avec des géométries fonctionnelles (valeurs élevées de terrain et de faibles valeurs de rayon de nanoruban). Certains artefacts, constitué d&#39;atomes exclus par erreur, conduisant à une surface de nanoruban moins lisse, ont été observés à des valeurs de rayon de nanoruban excessivement élevées et des valeurs extrêmement faibles de hauteur. Des procédés similaires ont été utilisés dans le processus de création de nanofils de silice 21-23. La deuxième méthode présentée ici consiste à tailler nanosprings de silice à partir de la structure de silice &quot;en vrac&quot; en mettant en œuvre des méthodes de présélection pour accroître l&#39;efficacité en plus des équations mathématiques pour une hélice. Cette procédure doit créer un code C ++ plus robuste pour permettre une plus grande flexibilité dans la modélisation de ces nanostructures hélicoïdales. La méthode itérative pour créer Atomismodèles tic de nanosprings comprend: (1) jeter tous les atomes garantis à tomber en dehors de la trajectoire hélicoïdale, (2) la sélection déterministe un point sur la trajectoire hélicoïdale, (3) la comparaison de tous les atomes situés à une distance spécifique à ce point sélectionné, et (4 ) le rejet ou le stockage de chaque atome dans un modèle de données de sortie. Une description étape par étape de cette méthode est également inclus dans les Scalable codes Open-Source Matériel supplémentaire. Avec cette méthode, plusieurs modèles de nanospring de silice ont été obtenus avec des dimensions variées (de rayon de fil, rayon de l&#39;hélice, et pas de nanospring) que présentés dans la figure 1. modèles nanospring de silice de haute précision ont été obtenus de manière efficace avec cette méthode, avec aucune preuve d&#39;artefacts trouvés à valeurs extrêmes (hautes et basses) Emplacement pour le nanospring. La création et l&#39;utilisation de l&#39;interface utilisateur graphique de cette méthode est décrite dans la section de protocole. Figure 1:. Une structure hélicoïdale générale indiquant les dimensions caractéristiques, où R, R et p représentent le rayon du fil, le rayon de l&#39;hélice, et la hauteur, respectivement, H désigne la hauteur totale de la structure hélicoïdale 23. Ce protocole décrit comment préparer les fichiers NanospringCarver, la course MATLAB 24 sur un LINUX 25 PC, et utiliser une interface utilisateur graphique pour préparer des modèles de nanospring atomiques. Ces modèles précédemment indisponibles servent de base pour la dynamique moléculaires (MD) simulations 23 vers la recherche des matériaux de l&#39;innovation. La procédure générale étape par étape pour créer des modèles de nanospring atomistique consiste à utiliser les éléments suivants: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) code (open-aigreCE en langage C ++), (b) modèle de verre de silice en vrac (fichier d&#39;entrée), (c) MATLAB interface graphique et les fichiers associés, et (d) le logiciel MATLAB (version 7) à l&#39;aide d&#39;une licence locale sur un PC LINUX. Articles (a) - (c) ci-dessus (code NanospringCarver, modèle de verre de silice, les fichiers MATLAB GUI) sont à télécharger en ligne le 26 libre. MATLAB (Matrix Laboratory) est un langage de haut niveau pour le calcul numérique, visualisation, et le développement d&#39;applications de MathWorks 24, qui est principalement utilisé pour la visualisation des données et analyse, traitement d&#39;image, et la biologie computationnelle.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>MATLAB numerical computing software</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td><a href="http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html">http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html</a></td>
			<td>See Protocol Introduction and Reference [24]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanospringCarver program code and files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB GUI files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomistic bulk glass input file</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IFrIT visualization software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 and Reference [19]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://www.lammps.sandia.gov/">http://www.lammps.sandia.gov/</a></td>
			<td>See Protocol Section 4 and Reference [32]</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3d visualization

matériaux printanières sont omniprésents dans la nature et de l&#39;intérêt dans les nanotechnologies pour la récupération d&#39;énergie, le stockage d&#39;hydrogène, et les applications de détection biologiques. Pour les simulations prédictives, il est devenu de plus en plus important d&#39;être capable de modéliser la structure de nanohelices précision. Pour étudier l&#39;effet de la structure locale sur les propriétés de ces géométries complexes, il faut développer des modèles réalistes. À ce jour, les progiciels sont plutôt limitées dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Ce travail se concentre sur la production de modèles atomiques de verre de silice (SiO 2) et nanorubans nanosprings pour la dynamique moléculaire (MD) simulations. En utilisant un modèle de MD &quot;en vrac&quot; verre de silice, deux procédures de calcul pour créer exactement la forme de nanorubans et nanosprings sont présentés. La première méthode utilise le langage de programmation et logiciels open-source AWK se tailler efficacement différentes formes de nanorubans de silice de l&#39;imodèle en vrac préside d&#39;abord, en utilisant les dimensions souhaitées et équations paramétriques pour définir une hélice. Avec cette méthode, nanorubans de silice atomiques précises peuvent être générées pour une gamme de valeurs et dimensions hauteur. La seconde méthode consiste à un code plus robuste qui permet une certaine souplesse dans la modélisation de structures nanohelical. Cette approche utilise un code C ++ écrit notamment pour mettre en œuvre des méthodes de présélection ainsi que les équations mathématiques pour une hélice, ce qui entraîne une plus grande précision et efficacité lors de la création de modèles nanospring. L&#39;utilisation de ces codes, bien définis et nanorubans évolutives et adaptées pour nanosprings simulations atomiques peuvent être créés de manière efficace. Une valeur ajoutée dans les deux codes open-source est qu&#39;ils peuvent être adaptés à reproduire des structures en hélice, indépendamment du matériau. En outre, une interface utilisateur graphique MATLAB (GUI) est utilisé pour améliorer l&#39;apprentissage grâce à la visualisation et l&#39;interaction d&#39;un utilisateur général avec l&#39;hélicoptère atomistiquestructures cal. Une application de ces méthodes est l&#39;étude récente de nanohelices par MD simulations à des fins mécaniques de récupération d&#39;énergie.

Les modèles de nanoruban atomiques créées avec la première procédure de calcul (code de nanorubans) et de leurs dimensions correspondantes sont indiquées à la figure 9. Les modèles de nanospring résultant à l&#39;aide de la deuxième procédure de calcul (code de nanosprings) et les dimensions correspondantes sont indiquées à la figure 10. <img alt="Figure 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372...

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

La modélisation précise des structures nanohelical est important pour les études de simulation prédictive de déboucher sur des applications de la nanotechnologie. Actuellement, des logiciels et des codes sont limités dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Nous présentons deux procédures visant à créer des modèles de nanohelical atomiques pour les simulations, et une interface graphique pour améliorer la recherche grâce à la visualisation.

Nanohelices évolutives pour les études de prévision et le renforcement de la visualisation 3D

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

10.4K vues.  University of California Merced.  La modélisation précise des structures nanohelical est important pour les études de simulation prédictive de déboucher sur des applications de la nanotechnologie. Actuellement, des logiciels et des codes sont limités dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Nous présentons deux procédures visant à créer des modèles de nanohelical atomiques pour les simulations, et une interface graphique pour améliorer la recherche grâce à la visualisation. 

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

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

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

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

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

Recherche

Ingénierie

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, l&#39;exploitation et la visualisation des écoulements en surface à ondes acoustiques axées microfluidique-Acoustiques contre-courant

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

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

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

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

Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d&#39;analyse

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

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

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

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

Micro-maçonnerie pour la 3D Additif Microfabrication

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

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

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

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

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Détection de biomolécules Utilisation EBL fabrication des substrats nanostructurés

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

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

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

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

Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie

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

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

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

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

Stratégie de fabrication élaborée par solution évolutive pour électrodes à haute performance, flexibles et transparentes avec un maillage métallique intégré

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

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

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

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

Circuits intégrés quantiques évolutifs sur la plate-forme de gaz électronique bidimensionnel supraconducteur

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

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

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

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

Impression de timbre évolutive et Fabrication de Surfaces Hemiwicking

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

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

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

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

Impression 3D - Évaluation des émissions de particules d’un stylo d’impression 3D

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