Gli autori vogliono ringraziare Tim Allis alla UC Merced per la sua assistenza in questo progetto. Il programma NSF-MONETE a UCM supportato (KAM) in una prima parte di questo lavoro. Un premio NSF-Brige supportato co-autori (BND e KAM), fornendo i fondi per questo lavoro e le spese di viaggio per le conferenze. Il gruppo di ricerca desidera ringraziare in primo luogo la National Science Foundation per il finanziamento di questo lavoro attraverso un premio Brige. Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla National Science Foundation sotto Grant No 1.032.653.

1. Preparazione NanospringCarver file e avvio MATLAB su un PC Linux Le seguenti operazioni sono progettati per un utente generico di utilizzare i file forniti linea 26. <ol><li> Scompattare l&#39;archivio di file nanosprings.tar.gz nella &quot;Home&quot; o un&#39;altra directory preferita. <ol><li> Scaricare l&#39;archivio di file nanosprings.tar.gz dal repository web 26. </li><li> Individuare l&#39;archivio scaricato e spostarlo in una directory di lavoro preferito dal titolo &quot;Documenti / nanosprings&quot;. </li><li> Fare clic destro nanosprings.tar.gz e selezionare &quot;Estrai qui&quot; dal menu contestuale del tasto destro. </li></ol></li><li> Verificare che tutti i file necessari sono presenti nella directory corrente. Un elenco di questi file e il loro scopo segue: Makefile - gestito manualmente il file di compilazione per nanosprings.cpp e Point.cpp Nanospinterni rings.fig -MATLAB GUI Codice Nanosprings.m -MATLAB GUI Point.cpp - Point (Atom) definizione di classe Point.h - Punto (atomo) di intestazione di classe Carve - nanosprings stand-alone eseguibile example.par - file di parametri esempio glasscube.inp - file di dati glasscube nanosprings.cpp - Codice nanosprings principale nanosprings_diagram.jpg - esempio nanospring per la visualizzazione nanosprings.cpp MATLAB-integrato - nanospringsmex.cpp nanospringsmex.mexglx - nanosprings MATLAB-integrato eseguibile Nota: L&#39;utente dovrà creare il &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; file eseguibile per la particolare macchina Linux in uso (versione a 32 bit in questo esempio). Se questo non è ancora stato fatto, verificare l&#39;accesso alla &quot;mex&quot; compilatore MATLABdigitando sulla riga di comando &quot;che mex&quot; e verificare l&#39;esistenza del programma. Verificare inoltre accesso al programma MATLAB digitando sulla riga di comando &quot;che matlab&quot;. Tramite riga di comando digitare &quot;mex nanospringsmex.cpp Point.cpp&quot; creerà il file NanospringCarver &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; eseguibile MATLAB-integrato, come indicato nelle istruzioni riportate di seguito. Anche se non richiesto per l&#39;interfaccia grafica, se lo si desidera una versione stand-alone del programma NanospringCarver possono essere creati digitando &quot;make&quot; su una riga di comando. Questo compilerà il nanosprings.cpp e elementi del programma Point.cpp insieme per creare il &quot;scolpire&quot; il file eseguibile. In questo tutorial, il &quot;glasscube.inp&quot; il file contiene le informazioni di posizione per 192.000 silicio e atomi di ossigeno representin<html> ga modello di vetro di silice, con ogni riga contenente un atomo di ID, tipo atomo, ed x, y, z coordinate per l&#39;atomo. La prima riga del file è il conteggio totale dell&#39;atomo (192.000). Le coordinate atomiche in questo file sono valori relativi, che, se moltiplicati per 0,716 rappresenterebbe distanze nanometriche. </li><li> Sul desktop, aprire una finestra di terminale. In molte versioni di Linux realizzare questo premendo contemporaneamente il tasto &quot;Ctrl&quot;, i tasti &quot;T&quot; &quot;Alt&quot; e. </li><li> Modificare la directory della cartella in cui i file di progetto nanosprings sono stati estratti digitando: cd Documenti / nanosprings / </li><li> Quindi, eseguire il comando per compilare il binario per il sistema digitando: mex nanospringsmex.cpp Point.cpp </li><li> Successivo avviare MATLAB MATLAB digitando sulla riga di comando </li></ol> 2. Modifica e utilizzo di una interfaccia utente grafica (GUI) per il Programma NanospringCarver ove_content &quot;&gt; Seguire le istruzioni riportate di seguito utilizzando i file forniti on-line 26. <ol><li> Aprire la guida in MATLAB facendo clic sull&#39;icona GUIDE, in alto a sinistra dell&#39;area della barra degli strumenti (figura 2), per visualizzare una nuova finestra con la Guida rapida (Figura 3). </li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" /> Figura 2: Interfaccia utente MATLAB che mostra come aprire MATLAB GUIDA. <img alt="Figura 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" /> Figura 3: Interfaccia GUIDA MATLAB inizializzazione. <ol start="2"><li> Utilizzare la scheda &quot;Apri GUI esistente&quot; (Figura 4) per modificare un valore esistente. Fare clic sul pulsante &quot;Sfoglia&quot; per cercare la GUI esistentecifra da modificare. Dopo aver selezionato il file di figura (Nanosprings.fig, vedi riquadro blu), cliccare su &quot;Apri&quot; su entrambe le finestre per visualizzare una nuova finestra con la figura GUI. Individuare i pulsanti disponibili da utilizzare per la creazione GUI sul pannello di sinistra (figura 5). </li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" /> Figura 4: Interfaccia GUIDA MATLAB che mostra come aprire un file esistente figura GUI. <img alt="Figura 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" /> Figura 5: interfaccia GUIDA MATLAB che mostra gli strumenti per la modifica di una figura grafica esistente. <ol start="3"><li> Per eseguire la GUI, cliccare su &quot;Esegui&quot; sotto la &quot;Menu Strumenti &quot;. Quindi fare clic su &quot;Sì&quot; quando una finestra pop-up chiede se salvare la cifra prima di eseguire. Una nuova finestra visualizza l&#39;interfaccia grafica modificata. </li><li> Se necessario, creare un altro GUI per un materiale specifico differente utilizzando questa interfaccia come un esempio. </li><li> Per impostare la corsa esempio, prima cliccare sul tasto &quot;Seleziona file del modello di input&quot; nella parte superiore della GUI e passare al file &quot;glasscube.inp&quot;. Selezionare il file e fare clic su &quot;Apri&quot; per chiudere la finestra di navigazione. Il file di input selezionato e il percorso per ora dovrebbero apparire nella finestra grafica a destra del pulsante &quot;Selected file del modello di input&quot; (Figura 6). </li></ol><img alt="Figura 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" /> Figura 6: Schermata di utilizzare GUI per creare un esempio di silice modello nanospring. <ol start="6"><li> Quindi, utilizzare il pulsante &quot;Sfoglia&quot; nella sezione &quot;Modello di uscita&quot; per cercare e selezionare la directory dove salvare il modello in uscita. Assicurarsi che la directory di output è attivamente selezionato in modo che la corsa sia abilitato, anche se vi è una directory di output già elencato nella finestra di accompagnamento alla destra di questo pulsante. Nota: Il valore &quot;Advance parametri minimi Distanza&quot; elencato (0.209311 in figura 6) è stato calcolato specificatamente per il file di input &quot;glasscube.inp&quot; fornite in questo esempio, e deve essere lasciato così com&#39;è. Questo valore può essere calcolato come necessario, al primo utilizzo di un file di input diversa inserendo il valore &quot;0&quot; in questa posizione prima di eseguire il modello. In questo esempio, tutti i valori dei parametri sono in unità relative a corrispondere all&#39;ingresso atomico sistema di coordinate. I valori dei parametri, se moltiplicato per 0,716 rappresenterebbero distanze nanometriche. &lt;/ Li&gt; <li> Eseguire l&#39;esempio utilizzando i parametri indicati molla di r = 1,0, R = 5.0, p = 1,5, d = 0,209,311 mila premendo il tasto GUI &quot;Run&quot;. Guarda il feedback dalla pista nella finestra di MATLAB Command (Figura 7). Nel feedback, verificare che i parametri di primavera sono confermate, che il file di dati di input viene letto correttamente, ed i risultati memorizzati nel file di output denominato &quot;modello&quot; sono descritti. </li></ol><img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7: finestra di feedback MATLAB Command da corsa nanosprings-based GUI. Nota: Nell&#39;esempio precedente, il &quot;modello&quot; file contiene 5176 atomi che compongono la primavera desiderato, uno per riga, con la prima linea contenente il numero totale di atominel file. Ogni riga definisce un atomo include l&#39;ID atomo, tipo atomo, ed x, y, z coordinate di tale atomo. <ol start="8"><li> Una volta che l&#39;interfaccia grafica è finalizzato, effettuare prove successive facendo clic destro su &quot;Nanosprings.m&quot; in MATLAB &quot;Current Folder&quot; finestra e selezionando &quot;Esegui&quot; per far apparire l&#39;interfaccia grafica direttamente. Nota: I vari riferimenti sono elencati 27-31 per ulteriori informazioni su MATLAB GUIDE e l&#39;interfaccia di base GUIDE. </li></ol> 3. Verifica NanospringCarver risultati in un Visualizer Open-source 19 I seguenti passaggi sono progettati per un utente generico di visualizzare e verificare i modelli primavera di uscita creati da NanospringCarver. <ol><li> Utilizzare il NanospringCarver MATLAB GUI come descritto in precedenza per generare i file per l&#39;ingresso nel programma di visualizzazione 19. Quando si esegue il programma di visualizzazione, utilizzare il &quot;punto di coordinate file &quot;opzione di ingresso, distinguere i tipi di atomi in base al colore, e selezionare un bordo di griglia assi per il campo. </li><li> Misurare le distanze nei modelli primavera e fare un record di loro. </li><li> Confronta i dati misurati contro quote della molla desiderate e verificarne la primavera precisione del modello. </li></ol> 4. Utilizzando Risultati NanospringCarver a trazione MD Simulazioni di nanosprings Le seguenti operazioni sono sintetizzati per un utente generico di utilizzare i modelli primavera creati da NanospringCarver come input per un open-source convenzionale codice MD 32. <ol><li> Scarica l&#39;ultima versione di open-source programma MD LAMMPS. Fare riferimento alla documentazione in linea associata per i manuali ed esempi. </li><li> Determinare le dimensioni del modello nanospring desiderato per preparare il modello di vetro di silice massa iniziale del caso, come riportato prima del 18. </li><li> Creare il modello nanospring desiderato utilizzando il NanospringCarver MATLAB GUI (v Sesopra 2 ction). </li><li> Effettuare simulazioni di trazione sul nanospring desiderato, allungando il modello assialmente 11,13,23. Produrre un video rappresentativo di modello nanospring essere allungato (vedi figura 8, di seguito, e animato figura 1) per la visualizzazione e l&#39;analisi. I risultati scientifici per quanto riguarda il comportamento sforzo-deformazione e la rigidità dei diversi modelli nanospring sotto tensione sono stati riportati altrove 23. </li></ol><img alt="Figura 8" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" /> Figura 8: Schermata di una nanospring di silice durante la simulazione di trazione (vedi anche Animati Figura 1).

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Modifica del metodo originale per creare strutture nanohelical portato allo sviluppo di due codici distinti per consentire la creazione di entrambi nanoribbons e nanosprings da una massa di silice modello iniziale vetro MD. La verifica dei modelli nanoribbon silice e nanospring è stato perseguito utilizzando diversi pacchetti software 19-20, che hanno confermato la loro precisione dimensionale all&#39;interno della capacità di misura dei programmi. Confronto tra nanosprings e nanoribbons è stata effettuata...

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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

Nanostrutture elicoidali sono tipicamente prodotti in laboratorio utilizzando vapori chimici tecniche di deposizione 1-2, mentre nuovi approcci sono stati riportati in letteratura 3. In particolare nanosprings e nanoribbons sono stati studiati per le loro proprietà distinte e promettenti applicazioni in sensori, ottica e dispositivi elettromeccanici e fluidici 4-7. Metodi di sintesi sono stati segnalati per la produzione di silice (SiO 2) nanoribbons, rendendo queste strutture potenziali unità blocco di costruzione per sistemi gerarchici. Sintesi Romanzo di nanosprings silice 3D ha ampliato le proprie applicazioni per chemiresistors rivestiti con ZnO 8 o nanoparticelle per applicazioni diagnostiche 9-10. Studi sperimentali sulle proprietà meccaniche dei nanosprings di silice e nanoribbons sono scarsi, soprattutto a causa limitazioni attuali manipolazione e metodi di prova e equipment. Indagini sulle nanomeccanica di nanostrutture e nanosprings sono stati riportati con la teoria e simulazioni 11-14. Alcune simulazioni 13 si sono concentrati sul comportamento nanomeccanico di nanosprings amorfi perché possono esplorare regimi non completamente accessibili attraverso la sperimentazione. Studi atomistica nanosprings metallici sono stati riportati in letteratura per studiare la dipendenza dimensioni di proprietà elastiche 15, e più recentemente le nanomeccanica di cristallini elicoidale nanostrutture di silicio 14. Sperimentazione di strutture nanospring è stata effettuata anche in materiali diversi come ad esempio nanostrutture di carbonio elicoidali e nanocoils carbonio 16-17. Nonostante le conoscenze raccolte finora, è necessaria una comprensione più completa delle proprietà meccaniche di questi nuovi nanostrutture per i futuri sforzi nanodispositivo fabbricazione. Come studi MD di silice glass (silice non cristallina) nanohelices sono ancora piuttosto limitate, la modellizzazione atomistica di tali strutture richiede la creazione di codici personalizzati. Sono stati identificati fino ad ora su di recente ricerca in letteratura anche altri metodi alternativi di creazione in vetro di silice modelli MD elicoidali. In questo lavoro, un approccio bottom-up alla modellizzazione atomistica di nanostrutture elicoidali in vetro di silice compreso nanosprings e nanoribbons è perseguito per i grandi simulazioni future MD nanomeccaniche. L&#39;approccio generale prevede la creazione di una &quot;massa&quot; modello di vetro di silice MD come riportato in precedenza 18, e ritagliandosi varie nanostrutture elicoidali da questo campione &quot;bulk&quot; tramite due codici di calcolo robusti e adattabili sviluppati per questo scopo. Entrambe le procedure di calcolo offrono un modo distinto per creare nanoribbon e nanospring modelli con grande efficienza e dettaglio atomistico; queste strutture sono adatte per le simulazioni atomistiche larga scala.Inoltre, un&#39;interfaccia utente grafica personalizzata viene utilizzata per facilitare la creazione e la visualizzazione delle strutture elicoidali. La struttura del &quot;bulk&quot; modello di vetro di silice si crea inizialmente a temperatura ambiente. Simulazioni MD su larga scala sono condotti a tal fine con il Garofalini interatomico potenziale simile a studi precedenti 18, il che è relativamente efficiente computazionalmente e appropriato per grandi sistemi. La struttura &quot;bulk&quot; di vetro di silice iniziale è costituito da un modello cubico (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm) che contiene 192.000 atomi. Il &quot;grosso&quot; modello di vetro di silice viene equilibrato a 300 K per 0,5 nsec per ottenere lo stato iniziale con condizioni al contorno periodiche. Due procedure di calcolo sono progettati e utilizzati per creare modelli nanoribbon silice e nanospring atomistiche. Il primo metodo consiste ritagliarsi nanoribbons silice dala struttura &quot;bulk&quot; utilizzando le equazioni parametriche che definiscono un&#39;elica, e la sua geometria (passo, raggio dell&#39;elica, e raggio fili). Questa procedura include l&#39;utilizzo del linguaggio di programmazione AWK, il sistema operativo Linux e open-source software di visualizzazione 19. La procedura generale iterativa per creare modelli atomistici di nanoribbons comprende: (1) selezionando un atomo nel &quot;bulk&quot; modello di vetro di silice, (2) calcolare la distanza dall&#39;atomo selezionato in un punto nello spazio su una funzione elicoidale predefinita, (3) confrontando questa distanza al raggio del nanoribbon desiderato, e (4) di eliminare o mantenere l&#39;atomo in un modello di dati di output. Una descrizione dettagliata passo-passo per questo metodo è incluso nei codici scalabile Open Source supplementare materiali. Con questo metodo, più nanoribbons silice sono stati creati utilizzando passo diverso, raggio di valori elica e raggio nanoribbon, che sono valutate in seguitoper la precisione contro i valori dimensionali desiderati con l&#39;analisi molecolare e software di visualizzazione 19-20. Modelli atomistica nanoribbons silice sono stati generati con geometrie funzionali (valori elevati di campo e bassi valori di raggio nanoribbon). Alcuni manufatti, costituito da atomi esclusi per errore, portando ad una superficie nanoribbon meno liscia, sono stati osservati a valori estremamente elevati raggio nanoribbon e valori estremamente bassi passo. Metodi simili sono stati utilizzati nel processo di creazione di nanofili silice 21-23. Il secondo metodo qui presentato include stralcio nanosprings silice dalla struttura di silice &quot;bulk&quot; applicando metodi di screening preliminare per aumentare l&#39;efficienza in aggiunta alle equazioni matematiche per un&#39;elica. Questa procedura richiede la creazione di un codice C ++ più robusto per consentire una maggiore flessibilità nella modellazione di queste nanostrutture elicoidali. Il metodo iterativo di creare atomismodelli tic di nanosprings comprende: (1) eliminando tutti gli atomi garantiti esulare dalla traiettoria elicoidale, (2) selezionare deterministico un punto della traiettoria elicoidale, (3) confrontare tutti gli atomi all&#39;interno di una distanza specifica a questo punto selezionato, e (4 ) di eliminare o la memorizzazione di ogni atomo in un modello di dati di output. Una descrizione step-by-step per questo metodo è anche incluso nei codici open-source scalabile Materiale supplementare. Con questo metodo, diversi modelli nanospring di silice sono stati ottenuti con varie dimensioni (raggio di fili, raggio di elica, e passo di nanospring) come illustrati nella Figura 1. nanospring modelli di silice ad alta precisione sono stati ottenuti in modo efficiente con questo metodo, senza evidenza di reperti trovati in estrema valori (alto e basso) passo per la nanospring. La creazione e l&#39;utilizzo dell&#39;interfaccia utente grafica per questo metodo è descritto nella sezione Protocollo. Figura 1:. Una struttura elicoidale generale mostrando dimensioni caratteristiche, dove r, R e p rappresentano rispettivamente il raggio del filo, il raggio dell&#39;elica, e pitch H indica l&#39;altezza totale della struttura elicoidale 23. Questo protocollo descrive come preparare i file NanospringCarver, in esecuzione MATLAB 24 su LINUX 25 PC, e utilizzare una interfaccia utente grafica per preparare modelli nanospring atomistico. Questi modelli non disponibili in precedenza servono da base per le dinamiche molecolari (MD) simulazioni 23 verso la ricerca l&#39;innovazione dei materiali. La procedura generale step-by-step per creare modelli nanospring atomistico comporta l&#39;uso dei seguenti elementi: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) codice (open-acidoce in linguaggio C ++), (b) modello di vetro di silice di massa (file di input), (c) MATLAB interfaccia GUI e file correlati, e (d) del software MATLAB (versione 7) con una licenza locale su un PC Linux. Articoli da (a) - (c) di cui sopra (codice NanospringCarver, modello di vetro di silice, i file MATLAB GUI) sono scaricabili on-line 26 gratis. MATLAB (Matrix Laboratory) è un linguaggio di alto livello per il calcolo numerico, la visualizzazione e lo sviluppo di applicazioni da MathWorks 24, che è in gran parte utilizzato per la visualizzazione dei dati e l&#39;analisi, l&#39;elaborazione delle immagini, e la biologia computazionale.

<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

Materiali primaverile sono onnipresenti in natura e di interesse nel campo delle nanotecnologie per la raccolta di energia, stoccaggio di idrogeno, e applicazioni di rilevamento biologico. Per simulazioni predittive, è diventato sempre più importante essere in grado di modellare la struttura del nanohelices precisione. Per studiare l&#39;effetto della struttura locale sulle proprietà di queste geometrie complesse si deve sviluppare modelli realistici. Fino ad oggi, i pacchetti software sono piuttosto limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Questo lavoro si concentra sulla produzione di modelli atomistici di vetro di silice (SiO 2) nanoribbons e nanosprings di dinamica molecolare (MD) simulazioni. Utilizzando un modello MD di &quot;bulk&quot; di vetro di silice, due procedure di calcolo per creare con precisione la forma di nanoribbons e nanosprings sono presentati. Il primo metodo utilizza il linguaggio di programmazione e il software open-source AWK per scolpire in modo efficace varie forme di nanoribbons silice dal imodello di massa nitial, con dimensioni desiderate ed equazioni parametriche per definire un elica. Con questo metodo, accurati nanoribbons silice atomistiche possono essere generati per un intervallo di valori del passo e dimensioni. Il secondo metodo prevede un codice più robusto che consente flessibilità nelle strutture modellazione nanohelical. Questo approccio utilizza un codice C ++ particolare scritta per implementare metodi di pre-screening nonché le equazioni matematiche per un&#39;elica, con conseguente maggiore precisione ed efficienza durante la creazione di modelli nanospring. Utilizzando questi codici, ben definiti e nanoribbons scalabili e nanosprings adatti per le simulazioni atomistiche possano essere effettivamente creati. Un valore aggiunto in entrambi i codici open-source è che possono essere adattate per riprodurre diverse strutture elicoidali, indipendentemente dal materiale. Inoltre, un&#39;interfaccia utente grafica MATLAB (GUI) è utilizzato per migliorare l&#39;apprendimento attraverso la visualizzazione e l&#39;interazione di un utente generico con l&#39;elicottero atomisticastrutture cal. Una applicazione di questi metodi è il recente studio di nanohelices via MD simulazioni per scopi di energy harvesting meccanici.

I modelli nanoribbon atomistici creati con la prima procedura di calcolo (codice nanoribbons) e le loro dimensioni associate sono mostrati nella Figura 9. I modelli nanospring risultante utilizzando la seconda procedura di calcolo (codice nanosprings) e dimensioni associate sono mostrati in Figura 10. <img alt="Figura 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" /> <strong...

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Modellazione accurata di strutture nanohelical è importante per gli studi di simulazione predittiva che portano a nuove applicazioni delle nanotecnologie. Attualmente, i pacchetti software ei codici sono limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Vi presentiamo due procedure volte a creare modelli nanohelical atomistici per le simulazioni, e un&#39;interfaccia grafica per rafforzare la ricerca attraverso la visualizzazione.

Nanohelices scalabili per predittivi Studi e migliorata visualizzazione 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 Views.  University of California Merced.  Modellazione accurata di strutture nanohelical è importante per gli studi di simulazione predittiva che portano a nuove applicazioni delle nanotecnologie. Attualmente, i pacchetti software ei codici sono limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Vi presentiamo due procedure volte a creare modelli nanohelical atomistici per le simulazioni, e un'interfaccia grafica per rafforzare la ricerca attraverso la visualizzazione. 

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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 ...

Ricerca

Ingegneria

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.

Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente

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.

Romanzo 3D / VR Interactive Environment per MD simulazioni, visualizzazione e l&#39;analisi

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-muratura per 3D Additivo 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 ...

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 Rilevamento di Biomolecole Utilizzando EBL manufatti nanostrutturati Substrati

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.

La stampa 3D dei modelli biomolecolari per la Ricerca e Pedagogia

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.

Strategia di Fabbricazione elaborata in soluzione scalabile per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglia metallica incorporata

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.

Circuiti integrati quantistici scalabili sulla piattaforma di gas elettronico a due dimensioni superconduttori

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.

Stampa timbro scalabile e fabbricazione delle superfici 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).

Stampa 3D - Valutazione delle emissioni di particelle di una penna da stampa 3D

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