Os autores gostariam de agradecer a Tim Allis na UC Merced por sua ajuda neste projeto. O programa NSF-MOEDAS na UCM suportado (KAM) em uma parte inicial deste trabalho. Um prêmio NSF-BRIGE apoiado co-autores (BND e KAM), fornecendo fundos para esta obra e as despesas de viagem para conferências. O grupo de pesquisa gostaria de agradecer principalmente a National Science Foundation para financiar este trabalho através de um prêmio BRIGE. Este material é baseado no trabalho apoiado pela National Science Foundation, Grant No. 1.032.653.

1. Preparando os arquivos NanospringCarver e iniciando MATLAB em um PC com Linux Os passos seguintes são projetados para um usuário em geral para fazer uso dos arquivos fornecidos em linha 26. <ol><li> Descompacte o arquivo arquivo nanosprings.tar.gz para o &quot;Home&quot; ou outro diretório preferido. <ol><li> Baixe o arquivo de ficheiros nanosprings.tar.gz do repositório web 26. </li><li> Localize o arquivo baixado e mova-o para um diretório de trabalho preferido intitulado &quot;Documentos / nanomolas&quot;. </li><li> Botão direito do mouse nanosprings.tar.gz e selecione &quot;extrair aqui&quot; no menu de contexto do botão direito. </li></ol></li><li> Verifique se todos os arquivos necessários estão presentes no diretório atual. A lista dos arquivos e suas finalidades seguintes: Makefile - gerenciado manualmente o arquivo de compilação para nanosprings.cpp e Point.cpp Nanospinternos rings.fig -MATLAB GUI Código Nanosprings.m -MATLAB GUI Point.cpp - Ponto (átomo) definição de classe Point.h - Ponto (átomo) cabeçalho de classe carve - autônomos nanomolas executável example.par - exemplo arquivo de parâmetro glasscube.inp - arquivo de dados glasscube nanosprings.cpp - Código nanomolas principal nanosprings_diagram.jpg - exemplo nanospring para exibição nanosprings.cpp MATLAB integrado - nanospringsmex.cpp nanospringsmex.mexglx - nanomolas MATLAB integrado executável Nota: O usuário precisará criar o arquivo executável &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; para a máquina Linux em particular a ser utilizado (versão de 32 bits neste exemplo). Se isso ainda não foi feito, verificar o acesso ao compilador MATLAB &quot;mex&quot;digitando na linha de comando &quot;, que mex&quot; e verificar a existência do programa. Verifique também o acesso ao programa MATLAB, digitando na linha de comando &quot;, que matlab&quot;. Usando uma linha de comando para digitar &quot;mex nanospringsmex.cpp Point.cpp&quot; irá criar o arquivo NanospringCarver MATLAB integrado executável &quot;nanospringsmex.mexglx&quot;, como mostrado nas instruções abaixo. Embora não seja necessário para a interface GUI, se desejar uma versão stand-alone do programa NanospringCarver pode ser criada digitando &quot;make&quot; na linha de comando. Isso irá compilar o nanosprings.cpp e elementos do programa Point.cpp juntos para criar a &quot;esculpir&quot; arquivo executável. Neste tutorial, o &quot;glasscube.inp&quot; arquivo contém informações de posição para 192.000 silício e átomos de oxigênio representin<html> ga modelo de vidro de sílica, com cada linha contendo um átomo de ID, o tipo do átomo, e x, y, z coordenadas para o átomo. A primeira linha do arquivo é a contagem átomo total (192.000). As coordenadas atômicas neste arquivo são valores relativos, que se multiplicado por 0,716 representaria distâncias nanométricas. </li><li> Na área de trabalho, abra uma janela de terminal. Em muitas versões do Linux alcançar este objetivo, pressionando simultaneamente a tecla &quot;Ctrl&quot;, &quot;T&quot; chaves &quot;Alt&quot; e. </li><li> Altere o diretório para a pasta na qual os arquivos de projeto nanomolas foram extraídos por digitação: cd Documentos / nanomolas / </li><li> Em seguida, execute o comando para compilar o binário para o sistema de digitação: mex nanospringsmex.cpp Point.cpp </li><li> Em seguida iniciar MATLAB, digitando Matlab na linha de comando </li></ol> 2. Modificando e usando uma interface gráfica do usuário (GUI) para o Programa NanospringCarver ove_content &quot;&gt; Siga os passos abaixo utilizando os arquivos fornecidos on-line 26. <ol><li> Abra o Guia no MATLAB, clicando no ícone GUIA, na área superior da barra de ferramentas à esquerda (Figura 2), para mostrar uma nova janela com o Guia de Início Rápido (Figura 3). </li></ol><img alt="A Figura 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" /> Figura 2: interface de usuário MATLAB mostrando como abrir MATLAB GUIA. <img alt="A Figura 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" /> Figura 3: Interface GUIA MATLAB inicializando. <ol start="2"><li> Use a guia &quot;Open GUI existente&quot; (Figura 4) para modificar uma figura existente. Clique no botão &quot;Procurar&quot; para procurar o GUI existentea figura a ser modificado. Após selecionar o arquivo figura (Nanosprings.fig, ver caixa azul), clique em &quot;Open&quot; em ambas as janelas para exibir uma nova janela com a figura GUI. Localizar os botões disponível para ser utilizada para criação de GUI no painel esquerdo (Figura 5). </li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" /> Figura 4: Interface GUIA MATLAB mostrando como abrir um arquivo de figura GUI existente. <img alt="A Figura 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" /> Figura 5: Interface GUIA MATLAB mostrando ferramentas para modificar uma figura GUI existente. <ol start="3"><li> Para executar a interface gráfica, clique em &quot;Executar&quot; no âmbito do &quot;Menu Ferramentas &quot;. Em seguida, clique em &quot;Sim&quot; quando uma janela pop-up solicita que se deseja salvar a figura antes de executar. Uma nova janela exibe o GUI modificado. </li><li> Se necessário, crie uma outra interface gráfica para um material específico diferente usando essa GUI como um exemplo. </li><li> Para configurar o exemplo de execução, primeiro clique no botão &quot;Selecionar arquivo de modelo de entrada&quot; no topo da GUI e navegue até o arquivo &quot;glasscube.inp&quot;. Selecione o arquivo e clique em &quot;Abrir&quot; para fechar a janela de navegação. O arquivo de entrada selecionada e caminho para ele agora deve aparecer na janela GUI para a direita do botão &quot;Selected arquivo de modelo de entrada&quot; (Figura 6). </li></ol><img alt="A Figura 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" /> Figura 6: tela de usar GUI para criar um exemplo modelo nanospring sílica. <ol start="6"><li> Em seguida, use o botão &quot;Browse&quot; na seção &quot;Output Model&quot; para procurar e selecionar o diretório para salvar o modelo de produção em. Certifique-se de que o diretório de saída está ativamente selecionado para que a execução a ser ativado, mesmo que não haja um diretório de saída já listados na janela de acompanhamento para a direita deste botão. Nota: O valor de &quot;Adiantamento Parâmetros Distância Mínima&quot; listado (0.209311 na Figura 6) foi calculado especificamente para o &quot;glasscube.inp&quot; arquivo de entrada fornecido neste exemplo, e deve ser deixado como está. Este valor pode ser calculado como necessário na primeira utilização de um arquivo de entrada diferente, inserindo um valor de &quot;0&quot; neste local antes de executar o modelo. Neste exemplo, todos os valores dos parâmetros estão em unidades relativas de entrada para coincidir com o sistema de coordenadas atómica. Se multiplicado por 0,716 os valores dos parâmetros que representam distâncias nanométricas. &lt;/ Li&gt; <li> Executar o exemplo utilizando os parâmetros indicados mola de r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5, d = 0,209311 e premindo o botão GUI &quot;Execute&quot;. Ver classificação da corrida na janela do MATLAB Command (Figura 7). No retorno, verificar se os parâmetros de primavera são confirmadas, de que o arquivo de dados de entrada é lido com sucesso, e os resultados armazenados no arquivo de saída chamado &quot;modelo&quot; são descritos. </li></ol><img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7: retorno janela MATLAB Comando de corrida nanomolas baseado em GUI. Nota: No exemplo acima, o &quot;modelo&quot; arquivo contém 5176 átomos que compõem a primavera desejado, um por linha, com a primeira linha, dando o número total de átomosno arquivo. Cada linha que define um átomo inclui o ID do átomo, tipo átomo, e x, y, z coordenadas do referido átomo. <ol start="8"><li> Uma vez que a interface gráfica é finalizado, realizar sucessivas corridas clicando com o botão direito em &quot;Nanosprings.m&quot; no MATLAB &quot;pasta atual&quot;, e selecionando &quot;Executar&quot; para abrir a interface GUI diretamente. Nota: Várias referências estão listados 27-31 para obter informações adicionais sobre MATLAB GUIA ea interface básica GUIA. </li></ol> 3. Verificando NanospringCarver Resultados em um Visualizer Open-source 19 Os passos seguintes são projetados para um usuário comum de visualizar e verificar os modelos primavera saída criados por NanospringCarver. <ol><li> Use o MATLAB GUI NanospringCarver como descrito acima para gerar arquivos de entrada para o programa de visualização 19. Ao executar o programa de visualização, use o &quot;ponto Coordincomeu arquivo &quot;opção de entrada, distinguir os tipos de átomos por cor e selecione uma grade fronteira eixo para o campo. </li><li> Medir distâncias nos modelos primavera e fazer um registro deles. </li><li> Comparar dados medidos contra dimensões primavera desejados e verificar a precisão do modelo primavera. </li></ol> 4. Usando NanospringCarver Resultados em MD tração Simulações de nanomolas Os passos seguintes são resumidas por um usuário geral para usar os modelos primavera criados por NanospringCarver como entrada para um código MD-fonte aberto convencional 32. <ol><li> Baixe a última versão do código-fonte aberto programa MD LAMMPS. Consulte a documentação on-line associada para manuais e exemplos. </li><li> Determinar as dimensões do modelo de nanospring desejado, a fim de preparar o modelo inicial apropriado de vidro de sílica grandes quantidades, como relatado antes 18. </li><li> Criar o modelo nanospring desejado usando o MATLAB GUI NanospringCarver (veja Séç ã o 2 acima). </li><li> Realizar simulações de tração na nanospring desejado, esticando o modelo axial 11,13,23. Produzir um vídeo representativo de modelo nanospring sendo esticado (ver Figura 8, abaixo, e animado Figura 1) para visualização e análise. Os resultados científicos sobre o comportamento tensão-deformação e rigidez de vários modelos nanospring sob tensão têm sido relatados em outros lugares 23. </li></ol><img alt="Figura 8" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" /> Figura 8: Screenshot de um nanospring sílica durante a simulação de tração (ver também Animado Figura 1).

<ol>
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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Modificação da estratégia original para criar estruturas nanohelical levaram ao desenvolvimento de dois códigos distintos, para permitir a criação de ambas as nanoribbons e nanomolas a partir de um modelo MD vidro de sílica inicial a granel. A verificação dos modelos nanofita sílica e nanospring foi perseguido utilizando diferentes pacotes de software 19-20, que confirmaram a sua precisão dimensional dentro da capacidade de medição dos programas. Comparação entre nanomolas e nanoribbons também...

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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

Nanoestruturas helicoidais são tipicamente produzidos em laboratório, utilizando técnicas de deposição química de vapor de 1-2, enquanto que as novas abordagens têm sido relatados na literatura 3. Em particular nanomolas e nanofitas têm sido estudados devido às suas propriedades distintas e aplicações promissoras em sensores, óptica, e eletromecânicos e dispositivos fluídicos 4-7. Métodos de síntese têm sido relatados para a produção de sílica (SiO2) nanoribbons, tornando essas estruturas potenciais unidades de bloco de construção para sistemas hierárquicos. Síntese Novel de nanomolas sílica 3D ampliou suas aplicações para chemiresistors quando revestido com ZnO 8 ou nanopartículas para aplicações de diagnóstico 10/09. Estudos experimentais sobre as propriedades mecânicas de nanomolas sílica e nanofitas são escassos, principalmente devido às limitações atuais de manipulação e métodos de ensaio e equipamnt. As investigações sobre os nanomecânica de nanoestruturas e nanomolas foram relatados usando a teoria e simulações 11-14. Algumas simulações 13 têm-se centrado no comportamento nanomechanical de nanomolas amorfos, pois eles podem explorar regimes não totalmente acessíveis através da experimentação. Estudos atomística da nanomolas metálicos têm sido relatados na literatura para investigar a dependência tamanho das propriedades elásticas 15, e mais recentemente os nanomecânica de nanoestruturas de sílica cristalina helicoidal 14. Teste experimental de estruturas nanospring também foi realizada em diferentes materiais tais como nanoestruturas de carbono e helicoidais nanocoils carbono 16-17. Apesar do conhecimento até agora reunido, é necessária uma compreensão mais completa das propriedades mecânicas destes novos nanoestruturas para futuros esforços de fabricação nanodevice. Como os estudos de MD g de sílicalass (sílica não-cristalina) nanoespirais ainda são bastante limitadas, a modelagem atomística de tais estruturas requer a criação de códigos personalizados. Não há outros métodos alternativos de criação de vidro de sílica modelos MD helicoidais foram identificados até agora sobre a pesquisa na literatura recente. Neste trabalho, uma abordagem bottom-up para a modelagem atomística de nanoestruturas de vidro de sílica helicoidais incluindo nanomolas e nanofitas é perseguido para futuras simulações MD nanomecânicos grande escala. A abordagem geral envolve a criação de uma &quot;massa&quot; modelo de vidro de sílica MD conforme relatado anteriormente 18 anos, e conquistando várias nanoestruturas helicoidais a partir desta amostra &quot;massa&quot; através de dois códigos computacionais robustas e adaptáveis ​​desenvolvidos para este fim. Ambos os procedimentos computacionais oferecem uma maneira diferente para criar nanofita e nanospring modelos com grande eficiência e detalhes atomística; estas estruturas são adequadas para atomísticos simulações em grande escala.Além disso, uma interface gráfica de utilizador personalizado é usado para facilitar a criação e visualização das estruturas helicoidais. A estrutura do modelo de vidro de sílica &quot;a granel&quot; é criado inicialmente à temperatura ambiente. Simulações de DM em larga escala são realizadas para este efeito usando o Garofalini interatómico potencial semelhante aos estudos anteriores 18, que é relativamente eficiente computacionalmente e adequado para grandes sistemas. A estrutura de &quot;massa&quot; de vidro de sílica inicial consiste em um modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm), que contém 192 mil átomos. O modelo de vidro de sílica &quot;a granel&quot; é equilibrada a 300 K durante 0,5 nseg obter o estado inicial usando condições de contorno periódicas. Dois procedimentos computacionais são projetados e utilizados para criar modelos nanofita sílica e nanospring atomistas. O primeiro método envolve esculpir nanofitas de sílica a partir dea estrutura &quot;a granel&quot;, usando as equações paramétricas que definem uma hélice, e sua geometria (pitch, raio da hélice, eo raio do fio). Esse procedimento inclui o uso da linguagem de programação AWK, o sistema operacional Linux e open-source software de visualização 19. O procedimento iterativo geral para criar modelos de atomísticos nanoribbons envolve: (1) selecção de um átomo no modelo de vidro de sílica &quot;a granel&quot;, (2) calcular a distância a partir do átomo seleccionado a um ponto no espaço sobre uma função helicoidal pré-definido, (3) comparar esta distância para o raio do nanofita desejado, e (4) de se desfazer ou mantendo o átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição detalhada passo-a-passo para este método está incluído nos códigos Scalable Open-Source Suplementar Materiais. Com este método, vários nanofitas de sílica foram criados usando tom diferente, o raio de valores hélice e raio nanoribbon, que foram medidos posteriormentede precisão contra os valores dimensionais desejadas com análise molecular e software de visualização 19-20. Modelos atomistas de nanofitas de sílica foram gerados com geometrias funcionais (altos valores de arremesso e baixos valores de raio nanoribbon). Alguns artefactos, que consiste de átomos de excluídos por engano, o que leva a uma superfície nanofita menos suave, foram observados em excessivamente elevados valores de raio nanofita e valores extremamente baixos de passo. Métodos similares têm sido usadas no processo de criação de nanofios de sílica 21-23. O segundo método aqui apresentado inclui esculpir nanomolas de sílica a partir da estrutura de sílica &quot;a granel&quot; pela aplicação de métodos de pré-rastreio para aumentar a eficiência em adição às equações matemáticas para uma hélice. Este procedimento necessário a criação de um código C ++ mais robusta para permitir uma maior flexibilidade na modelagem dessas nanoestruturas helicoidais. O método iterativo para criar atomismodelos de tic nanomolas inclui: (1) descartando todos os átomos garantidos para cair fora da trajetória helicoidal, (2) de forma determinística selecionar um ponto na trajetória helicoidal (3), comparando todos os átomos dentro de uma determinada distância a este ponto selecionado, e (4 ) descartar ou armazenar cada átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição passo-a-passo para este método também está incluído nas escaláveis ​​códigos Open-Source Suplementar material. Com este método, diversos modelos de sílica nanospring foram obtidos com dimensões variadas (raio fio, raio de hélice, e passo de nanospring) como mostrado na Figura 1. nanospring modelos de sílica altamente precisa foram obtidos de forma eficiente com este método, com nenhuma evidência de artefactos encontrados no extremo valores de pitch (alto e baixo) para o nanospring. A criação e utilização da interface gráfica de utilizador para este método é descrito na secção de Protocolo. Figura 1:. Uma estrutura helicoidal geral mostrando dimensões características, em que r, R e p representam o raio de arame, raio da hélice, e pitch respectivamente H indica a altura total da estrutura helicoidal 23. Este protocolo descreve como preparar os arquivos NanospringCarver, correndo MATLAB 24 em um PC com Linux 25, e usar uma interface gráfica de usuário para preparar modelos nanospring atomistas. Estes modelos anteriormente indisponíveis servir de base para a dinâmica moleculares (MD) simulações de 23 para a pesquisa de materiais inovação. O procedimento geral passo-a-passo para criar modelos nanospring atomísticos envolve o uso dos seguintes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (open-azedoce em linguagem C ++), (b) modelo de vidro de sílica a granel (arquivo de entrada), (c) MATLAB interface gráfica e os arquivos relacionados, e (d) o software MATLAB (versão 7) usando uma licença local em um PC com Linux. Os itens (a) - (c) acima (código NanospringCarver, modelo de vidro de sílica, arquivos MATLAB GUI) são livres para download on-line 26. MATLAB (Matrix Laboratory) é uma linguagem de alto nível para computação numérica, visualização e desenvolvimento de aplicações de MathWorks 24, que é usado principalmente para a visualização e análise de dados, processamento de imagem, e biologia computacional.

<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

Materiais Primavera-like são onipresentes na natureza e de interesse em nanotecnologia para captação de energia, armazenamento de hidrogênio, e aplicações de sensoriamento biológico. Para as simulações preditivos, tornou-se cada vez mais importante para ser capaz de modelar a estrutura de nanoespirais com precisão. Para estudar o efeito da estrutura local sobre as propriedades destas geometrias complexas deve-se desenvolver modelos realistas. Até à data, os pacotes de software são bastante limitados na criação de modelos helicoidais atomistas. Este trabalho centra-se na produção de modelos atomistas de vidro de sílica (SiO2) e nanofitas nanomolas de dinâmica molecular (MD) simulações. Usando um modelo MD da &quot;massa&quot; de vidro de sílica, dois procedimentos computacionais para criar precisamente a forma de nanofitas e nanomolas são apresentados. O primeiro método utiliza a linguagem de programação de código aberto e software AWK para esculpir eficazmente várias formas de nanofitas de sílica a partir do imodelo de maior nitial, usando dimensões desejadas e equações paramétricas para definir uma hélice. Com este método, nanoribbons sílica atomísticos precisas podem ser geradas para um intervalo de valores de espaçamento e dimensões. O segundo método envolve um código mais robusto que permite flexibilidade na modelagem de estruturas nanohelical. Esta abordagem utiliza um código C ++ especialmente escrito para implementar métodos de pré-triagem, bem como as equações matemáticas para uma hélice, resultando em maior precisão e eficiência ao criar modelos nanospring. Usando esses códigos, bem definida e nanofitas escaláveis ​​e nanomolas adequados para simulações atomísticas pode ser efetivamente criado. Um valor acrescentado em ambos os códigos de fonte aberta é que eles podem ser adaptados para reproduzir diferentes estruturas helicoidais, independentes de material. Além disso, uma interface gráfica de usuário MATLAB (GUI) é usado para melhorar a aprendizagem através da visualização e interação para o usuário em geral com o heli atomísticaestruturas cal. Uma aplicação destes métodos é o estudo recente de nanoespirais via simulações de DM para fins de captação de energia mecânica.

Os modelos nanoribbon atomísticos criados com o primeiro procedimento computacional (código nanoribbons) e as suas dimensões associados são mostrados na Figura 9. Os modelos nanospring resultantes usando o segundo procedimento computacional (nanomolas código) e dimensões associados são mostrados na Figura 10. <img alt="Figura 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" /...

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Modelagem precisa de estruturas nanohelical é importante para estudos de simulação preditiva que levam a novas aplicações da nanotecnologia. Atualmente, os pacotes de software e os códigos são limitados na criação de modelos helicoidais atomistas. Apresentamos dois procedimentos destinados a criar modelos nanohelical atomistas para simulações, e uma interface gráfica para reforçar a investigação através da visualização.

Nanoespirais escaláveis ​​para estudos de previsão e melhor visualização 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 visualizações.  University of California Merced.  Modelagem precisa de estruturas nanohelical é importante para estudos de simulação preditiva que levam a novas aplicações da nanotecnologia. Atualmente, os pacotes de software e os códigos são limitados na criação de modelos helicoidais atomistas. Apresentamos dois procedimentos destinados a criar modelos nanohelical atomistas para simulações, e uma interface gráfica para reforçar a investigação através da visualização. 

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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.

De alta resolução, de alta velocidade, de imagens de vídeo tridimensional com Franja Digital Técnicas de Projeção

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

Engenharia

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.

Fabricação, Operação e Visualização de Fluxo em superfície acústico de ondas orientadas Microfluidics acústico contrafluxo

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.

Novel 3D / VR ambiente interativo para MD Simulações, visualização e análise

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-alvenaria para Aditivo 3D Microfabricação

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.

Superfície reforçada Raman Detection Espectroscopia de Biomoléculas Usando EBL Fabricadas Nanoestruturados Substratos

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.

Impressão 3D de biomoleculares Modelos de Investigação 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.

Estratégia de fabricação processada e escalável para eletrodos flexíveis e transparentes de alto desempenho com malha metálica embutida

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.

Circuitos integrados Quantum escalonáveis na plataforma bidimensional de gás elétron supercondutor

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.

Impressão do selo escalável e fabricação de superfícies de 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).

Impressão 3D - Avaliando emissões de partículas de uma caneta de impressão 3D

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

Nanoespirais escaláveis ​​para estudos de previsão e melhor visualização 3D

Nanoespirais escaláveis para estudos de previsão e melhor visualização 3D