We wish to gratefully acknowledge the original inspiration and extensive support provided to us toward the creation of this system from Dr. Oliver Kreylos of the UC Davis Institute for Data Analysis and Visualization. His advice and assistance were instrumental to our success.
We also wish to thank the NSF BRIGE program for providing funding for this project. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. 1032653.

1. Instale 3D / VR Modeling Software em Modelagem PC <ol><li> Instalar o sistema operacional de base Linux em modelagem PC (Ubuntu x86 / AMD64 dependendo do hardware). </li><li> Modificar sistema operacional de base LINUX. <ol><li> Instalar bibliotecas e adicionar funcionalidades conforme necessário. </li></ol></li><li> Instale VRUI e NCK 3D / software de modelagem VR em Modelagem PC 6. <ol><li> Confira sites relacionados 1,6 para obter as versões mais recentes de todos os componentes de software de modelagem. </li><li> Compilar, configurar e testar VRUI. </li><li> Instale e teste NCK. </li></ol></li></ol> 2. Criar Sistema de Acompanhamento 1 <ol><li> Mount Rastreamento IR Câmeras 4 <ol><li> Criar uma estrutura rígida suspensão câmera diretamente acima da borda frontal da TV 3D perto do teto para melhor cobertura. Montagem 3 câmeras em montagens de giro diretamente acima dos cantos da frente e parte central da frente da TV 3D. Certifique-se que o ângulo de cobertura de cada câmera apenas garrasa a superfície frontal da TV. </li><li> Objectivo as câmaras ter a mais ampla cobertura de ângulo (45 graus) paralela à parte da frente da televisão 3D. Usar um estreito ângulo de cobertura (30 graus), perpendicular à frente da TV 3D. Permitir a sobreposição máxima dentro do espaço de trabalho 3D desejado. Assegurar os objetos estão em vista de, pelo menos, duas câmeras a serem monitorados com sucesso (Figura 3). <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Cobertura câmera IR de rastreamento para maximizar a área de trabalho em 3D na frente da TV. Parts (A) e (B) mostram vista frontal e lateral com o respeito do sistema de visualização 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> </li></ol></li><li> Experimente com o posicionamento da câmera alternativo se necessário para criar um adequadoEspaço de trabalho 3D. Isso pode ser necessário se a distância de montagem vertical da câmera é limitada. </li><li> Instalar e Calibrar Tracking Software <ol><li> Instale o OptiTrack rígida Toolkit corpo no computador de rastreamento usando o manual de instalação incluído. </li><li> Set Threshold, Exposição, Iluminação valoriza dependente do meio ambiente e definir a qualidade de captura de alta, conforme detalhado nas instruções do software de rastreamento. </li><li> Para a captura de Wand, ter o cuidado de remover todas as outras material reflexivo do espaço de trabalho 3D. Mover-se suavemente ao longo câmera sobreposição área de trabalho com a varinha reflexivo. Repita até que padrão e média erros abaixo &quot;0.5&quot; são obtidos em seguida, salve o arquivo de calibração. </li><li> Defina o plano de terra para estabelecer coordenar uma área de trabalho 3D rastreados origem do sistema. Definir o goggle Wiimote e 3D objetos rastreados, conforme detalhado nas instruções do software de rastreamento. </li></ol></li><li> Calibração VRUI completa <ol><li> Definir VRUI aceitar tracking informações do computador de rastreamento. </li><li> Verifique rastreamento funcionalidade em VRUI usando DeviceTest utilitário de calibragem. </li><li> Alinhe exibição VRUI 3D e software de rastreamento de sistemas de coordenadas. </li><li> Defina a orientação de rastos Wiimote e 3D usando óculos AlignTrackingMarkers software de alinhamento. </li></ol></li></ol> 3. Prepare Modeling System 3D para Uso <ol><li> Antes de começar, remova todas as jóias reflexivo (ou seja, relógios, brincos, metais, etc.). Não retire óculos corretivos necessários para se concentrar na tela. </li><li> Montar o equipamento para o Sistema de Visualização 3D / VR: <ol><li> Computador Modeling </li><li> Computador de Seguimento </li><li> Grande formato 3D capaz TV </li><li> Cabo de vídeo entre o computador modelagem e TV 3D </li><li> Emissor IR 3D para TV 3D </li><li> Cabos Ethernet para modelagem e monitoramento de computadores </li><li> Wiimote com chifres de rastreamento (controlador) </li><li>Óculos 3D com chifres de rastreamento (óculos 3D) 5 </li></ol></li><li> Com cuidado, coloque controlador onde ele pode ser facilmente alcançado a partir do computador de modelagem, tomando cuidado para não tocar ou mover os marcadores de rastreamento IR esféricas ligadas a ele. </li><li> Com cuidado, coloque óculos 3D em suporte de TV (como antes, não se esqueça de evitar tocar os marcadores reflexivos). </li><li> Conecte os três cabos USB das câmeras IR montado acima da TV 3D de 3 portas USB no computador de rastreamento, enquanto ele está desligado. </li><li> Localize o controle remoto da TV 3D e colocá-lo na frente da TV 3D. </li><li> Conecte o cabo de vídeo para a placa de vídeo no computador modelagem e a entrada de vídeo da TV 3D. Também ligar o emissor de IR em 3D para a sincronização de saída 3D da TV 3D, e coloque emissor na TV estão de lado perto da TV, apontando para cima na direção de onde serão utilizados óculos de proteção. Tenha cuidado para não mudar a posição da TV calibrado. </li><li> Vire 3D TV ON antes de ligar o computador modelagem para enCertifique-se o devido reconhecimento pelo computador. </li><li> Ligue o computador de modelagem. Após a inicialização do computador de modelagem para um prompt de login, faça o login no sistema de computador LINUX modelagem para uma conta apropriada. </li><li> Uma vez que a área de trabalho do computador de modelagem está disponível, use o controle remoto da TV 3D para verificar o status da conexão do cabo de vídeo, pressionando o &quot;i info /&quot; botão. Certifique-se de que a tela da TV exibe &quot;1920x1080 @ 60Hz&quot; no canto superior esquerdo. Se não, reinicie o computador de modelagem para estabelecer o reconhecimento correto da TV 3D. Também não se esqueça de TV está em modo 3D de saída 2, usando os menus de configuração de controle remoto. </li><li> Na área de trabalho do computador de modelagem, abra uma janela do terminal com várias guias. </li><li> No computador de rastreamento, verifique o endereço IP do adaptador Ethernet, digitando &quot;ipconfig&quot; em uma janela de comando. </li><li> No computador de modelagem, abrir uma aba janela de terminal e verificar dentro do arquivo VRDevices.cfg que os &quot;servername&quot; defineo endereço IP do adaptador de computador rastreamento ethernet. </li><li> Se for necessário, alterar o &quot;servername&quot; endereço IP em VRDevices.cfg para coincidir com o adaptador ethernet computador de rastreamento, e salvar VRDevices.cfg. </li><li> No computador de rastreamento, iniciar o software rígida ferramenta Corpo OptiTrack. </li><li> Permitir que o software para abrir completamente, em seguida, clique no botão grande perto do menu superior rotulado &quot;Load Calibration Resultado&quot;. </li><li> Procure e abra o arquivo de calibração de câmera apropriado. </li><li> Depois que o arquivo é carregado, clique no menu &quot;Arquivo&quot; e selecione &quot;Carregar definições de corpo rígido&quot;. </li><li> Procure e abra o arquivo de definição de corpo rígido adequado para o controlador rastreados e óculos 3D. </li><li> No painel mais à direita do software de rastreamento, localize a seção intitulada &quot;Streaming&quot;, expanda a seção e sob a categoria &quot;VRPN Streaming&quot;, verifique se o número de porta listado é 3883, então marque a opção &quot;Broadcast &quot;caixa dentro do&quot; quadro de dados categoria VRPN Streaming Engine &quot;. </li><li> No computador de modelagem, certifique-se de que o controlador é ou diretamente na mão ou imediatamente acessível (2 segundos de distância, no máximo). </li><li> No computador de modelagem, abrir uma aba na janela do terminal criado anteriormente nesta sessão e navegar e, em seguida, iniciar o software VRDeviceDaemon, por exemplo, digitando &quot;./VRDeviceDaemon&quot;. </li><li> Siga o prompt para Se a atividade foi bem-sucedida, a janela irá agora mostrar &quot;botões de imprensa 1 e 2 sobre o Wiimote simultaneamente.&quot; &quot;VRDeviceServer: Aguardando a conexão do cliente&quot;. </li></ol> 4. Teste 3D / VR Sistema Visualization Utilizando Software NCK O seguinte conjunto de instruções descreve como usar o software NCK menus na tela para estabelecer funções da ferramenta controlador, e, em seguida, como construir e manipular uma nanotu carbonoestar no espaço de trabalho 3D / VR a partir de átomos de carbono constituintes (Figura 4). As instruções sobre como medir os ângulos de ligação resultantes e distâncias (Passo 4.4.10) estão disponíveis on-line 10. <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Graduanda utilizando o Sistema de Visualização 3D / VR para estudar os nanotubos de carbono (CNT) Fotos (A) -.. (F) mostram o processo de construção de um single-walled CNT <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura .</a> <ol><li> Dentro da janela de terminal do computador modelagem criada na Etapa 3.11, selecione a terceira aba. Para iniciar o software NCK, navegue até o diretório de instalação do NCK e digite: &quot;./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36 &quot;. </li><li> Sendo muito cuidado para não tocar ou soltar os marcadores de rastreamento em anexo, colocar os óculos 3D e pegar o controlador. Ajuste a posição de visualização cabeça / óculos de proteção para garantir óculos 3D estão recebendo 3D TV IR emissor do sinal de sincronismo, permitindo 3D / VR visualização de tela da TV. </li><li> A fim de ter um conjunto de ferramentas para adicionar, mover e excluir átomos, atribuir associações comando NCK para botões no controle da seguinte forma: <ol><li> Abra o menu principal NCK na tela ao pressionar e segurar o botão Home no Wiimote, navegando para e selecionando a opção &quot;Substituir Ferramentas&quot; item de menu, em seguida, liberando o botão Home. Isto permite a atribuição de comandos para diferentes botões no controlador, independentemente um do outro. </li><li> Para associar o botão disparador Wiimote (na parte inferior do controlador) com a ação de manipular átomos dentro NCK, pressione e segure o botão do disparador, navegar pelo menu na tela NCK para &amp; #8220; Dragger &quot;e selecione&quot; 6-DOF Dragger &quot;, em seguida, solte o gatilho. O gatilho é agora associado com a ação de manipular os átomos. </li><li> Para atribuir a função da adição de um átomo para o botão &quot;+&quot; no Wiimote, trazer o menu principal até ao pressionar e segurar o botão Home, navegue para &quot;Tipos de unidade estrutural&quot;, e selecione &quot;Triangle&quot;, em seguida, solte o botão Home . </li><li> Em seguida, pressione e segure o botão &quot;+&quot;, navegue até &quot;Dragger&quot;, e selecione &quot;6-DOF Dragger&quot;, em seguida, solte o botão &quot;+&quot;. O botão &quot;+&quot; agora está associado com a criação de novos átomos do tipo selecionado (átomos de carbono representados por triângulos, neste caso). </li><li> Para atribuir a função de exclusão de um átomo para o botão &quot;-&quot; no Wiimote, abrir o menu principal, pressionando e segurando o botão &quot;Home&quot;, em seguida, navegue para &quot;Tipos de unidade estrutural&quot; e selecione &amp; #8220; Excluir unidades selecionadas &quot;, em seguida, solte o botão Home. </li><li> Em seguida, pressione e segure o botão -, navegue até &quot;Dragger&quot;, depois &quot;6-DOF Dragger,&quot; e solte o &quot;botão&quot; - &quot;&quot;. O botão &quot;-&quot; agora está associado com a exclusão de átomos. </li><li> Siga um procedimento semelhante ao atribuir as funções de &quot;bloqueio de unidades selecionadas&quot; para o botão &quot;1&quot; Wiimote, e &quot;Desbloquear unidades selecionadas&quot; para o botão &quot;2&quot; controlador. </li></ol></li><li> Uma vez que os botões do controle tenham sido configuradas, criar um nanotubo de carbono usando NCK como segue: <ol><li> Usando o botão &quot;+&quot;, adicione dois átomos de carbono triangulares de 3 títulos para o espaço de trabalho NCK. Manipular esses usando o botão de disparo até que se juntem em um vértice. </li><li> Adicionar mais 4 átomos de carbono de criar uma forma hexagonal estrela. </li><li> Usando o menu &quot;Home&quot;, navegue até &quot;I / O Menus&quot;, depois em &quot;Unidades Salvar. </li><li> Mova a 6 estrutura pontiaguda longe de sua posição atual. </li><li> Usando o menu &quot;Home&quot;, navegue até &quot;I / O Menus&quot;, depois em &quot;unidades de carga. </li><li> Repetir os últimos dois passos até que uma folha de anéis hexagonais 6-6 por 6 átomos foi criada (Figura 5A). </li><li> Usando o botão &quot;1&quot;, bloquear um átomo em linha superior, e um átomo adversária na linha de fundo. Os átomos bloqueadas serão marcados com uma cor-de-rosa (Figura 5B). </li><li> Usando o botão de disparo, mover cuidadosamente um dos átomos fechados em um arco circular até o vértice livre se aproxima o vértice livre do átomo trancada opostas. A linha verde aparecerá entre os vértices quando eles estão perto o suficiente de que a atração atômica vai levá-los a se juntar com uma ligação (Figura 5C). Depois juntou-se com sucesso, desbloquear ambos os átomos utilizando o botão &quot;2&quot;. </li><li> Continue semelhante bloqueio, juntando-se, e desbloquear adversária ver atômicacas na folha de carbono, de forma eficaz &quot;fechando&quot; a folha em um nanotubo de carbono final (figuras 5D-5F). <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Passo-sábio criação de um único de paredes CNT que mostra (A) uma folha de 6 x 6 (grafeno) de anéis hexagonais de carbono, (B) opostas átomos de carbono &quot;bloqueado&quot; (mostrado como triângulos rosa) para permitir uma manipulação mais fácil contra forças interatómicas realistas, (C) de carbono (grafeno) folha cuidadosamente curvo para permitir a ligação entre os átomos em lados opostos, (D) dois átomos de carbono adicionais opostas bloqueadas para ajudar ainda mais a curvatura de folha de carbono, (E) átomos de carbono adicionais, opondo-se ligado ao carbono continuar folha de curvatura em um nanotubo, e (F) CNT formado final depois da ligação sequencial de átomos opostas do original cfolha arbon (grafeno). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> </li><li> Quando o nanotubo é completo, use ferramentas de medição na tela para confirmar ângulos e distâncias estruturais 10. </li></ol></li></ol> 5. Visualização de Dinâmica Molecular Modelos de Simulação <ol><li> Importar um modelo cúbico inicial SiO 2 cristalino para o software 3D / VR NCK, e investigar a estrutura inicial (ver Figura 2A). </li><li> Programas de código aberto MDCASK 11 e LAMMPS 12 foram alvo por causa de características que são bem adaptadas a este foco de investigação. O último programa é usado neste trabalho dadas as suas potencialidades interatómicas variadas e capacidade de computação GPU. Utilizando o pacote LAMMPS MD 12, executar um melt simulado / saciar procedimento nesta estrutura inicial para produzir um amorfo SiO 2 st<html> ructure. Os detalhes deste procedimento simulado pode ser encontrada em publicações anteriores 13-15. </li><li> Importar o novo amorfo (desordenada) SiO2 modelo resultante para o software 3D / VR NCK e investigar a estrutura (ver Figura 2B). </li><li> Criar um SiO 2 nanospring / nanoribbon fora do novo sólido amorfo usando o código aberto código NanospringCarver 16 e associada instrucional documentação 17 (Figura 6). <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Ilustração do processo de selecção átomo de passo-a-passo, em diferentes fases da criação de um nanospring utilizando o programa NanospringCarver peças. (A - D) indicam 25%, 50%, 75% e 100% da conclusão desta operação 17.target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. </li><li> Usar o pacote LAMMPS MD para realizar simulações de tracção sobre o nanospring / nanofita (Figura 7). Os detalhes sobre este procedimento pode ser encontrada em uma publicação anterior 15. <img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. imagem Snapshot de resultados LAMMPS MD sílica helicoidal nanoestrutura (nanoribbon) de simulação de tração. </li><li> Use o código aberto ferramentas de software VMD (Visualize Dinâmica Molecular) 18 ImageMagick 19, e FFmpeg 20 para criar snapshots e animação da nanoestrutura helicoidal ao longo desta simulação (Animated Figura 1), para apresentação no Sistema de Visualização 3D / VR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para exibir uma v maior</a>ersion desta figura. </li></ol> <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/Animated_Fig1-movie NR-0140_frames.mov" target="_blank">Animated Figura 1</a> . Animação de helicoidal simulação nanoestrutura de tração.

<ol>
	<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering.">The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).</li><li>Flores, C., Matlock, T., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis.">Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+goggle+source.">3D goggle source.</a> , (2013).</li><li>. &#8220;3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol&#8221; and &#8220;3D/VR Visualization System &#8211; CNT Modeling Example&#8221; documents Available from: <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013)</li><li>. MDCASK molecular dynamics code Available from: <a target="_blank" href="https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask">https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask</a> (2013)</li><li>Feuston, B. P., Garofalini, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Empirical+three-body+potential+for+vitreous+silica.">Empirical three-body potential for vitreous silica.</a> J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).</li><li>D&#225;vila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure.">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li><li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. , (2013).</li><li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization.">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, .</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=University+of+California+Television+(UCTV).">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).</li></ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Elementos críticos no sucesso da instalação e uso do sistema de visualização 3D / VR estão detalhadas no ambiente físico e Considerações sobre design e considerações especiais em materiais complementares. Considerações sobre a instalação importantes incluem altura display 3D para confortável posição de longo prazo ou uso sentado, maximizada rastreamento câmera montada altura para criar uma grande área de trabalho 3D, câmera de monitoramento estável e apoio display 3D para manter a configuração ao longo do tempo, e remoção de elementos IR-reflexivos a partir da área de trabalho 3D. Como mencionado nas instruções de instalação, se o rastreamento de altura da câmera de montagem disponível é limitado, a orientação da câmara alternativo pode ser necessário para criar a maior área de trabalho 3D. Durante a configuração do software de rastreamento, a etapa de captura varinha é importante para a precisão de rastreamento final. Cuidados devem ser tomados para mover a varinha thor reflexivominuciosamente e sem problemas em toda a área de sobreposição da câmera de monitoramento sem bloquear qualquer câmera ou introduzir qualquer objeto de reflexão secundária, repetindo essa etapa conforme necessário até que sejam alcançados os valores de erro necessários. Como observado nas seções acima mencionados, durante o uso do sistema pode ser importante para criar um pequeno escudo sobre os óculos 3D para evitar a interferência do sinal de rastreamento IR com o sinal de IR sincronização 3D e usar pilhas de óculos de proteção 3D frescos para maximizar o goggle sincronização 3D. Além disso, deve-se tomar cuidado para não tocar consistente ou alterar o goggle 3D e Wiimote esferas IR-reflexivo, e a não se deslocarem fisicamente a câmera de monitoramento ou posições de visualização 3D, a fim de manter rastreamento 3D preciso e de imagem. Outros esforços anteriores se concentraram em MD e interatividade em tempo real (por exemplo, via VMD, a visualização e modelagem molecular software popular para sistemas biomoleculares 21), enquanto novas abordagens haImplementei outras interfaces de usuário e gesto 3D e voz controla 22. Outro grupo de 23 criou um software que integra adaptativos, algoritmos incrementais para atualizar a energia potencial e as forças interatômicas dentro nanosystems. O sistema descrito neste trabalho inclui um alvo em particular, uma vez que consiste em visualização 3D de nanomateriais através do open-source software NCK 6, com interatividade em um ambiente de realidade virtual e MD capacidade simulações via os LAMMPS de código-fonte aberto 12. Este código permite flexibilidade, já que vários potenciais interatómicas robustos estão disponíveis para estudar nanomateriais, para a pesquisa de ciência dos materiais. Assim, o sistema neste trabalho inclui elementos semelhantes de simulação MD e interatividade como algumas outras abordagens, mas com foco em pesquisa de materiais em nanoescala. A importância do sistema de visualização 3D / VR descrito aqui é que é mais simples e de menor custo para criar, umad mais flexível para usar para o pesquisador média ou educador, de ambientes imersivos especializados mais caros. A adição de capacidade de simulação MD acelerada por GPU leva vantagem desta tecnologia de computação em rápida evolução para criar uma energia e espaço de conservação, ambiente de computação de alto desempenho dentro do laboratório. Esta ferramenta envolvente romance juntamente com recursos avançados de análise é poderoso e eficiente para uso em campos como a ciência dos materiais, e é especialmente adequado para pesquisa e educação em nanoescala. Este sistema foi selecionado para ser exibido em junho de 2012 Series &quot;Nossa Vida Digital&quot; 24 sobre UCTV (um meio de comunicação público-servir e o primeiro canal original YouTube executar universitário). Como tanto a pesquisa e ferramenta educacional, o Sistema de Visualização 3D / VR com capacidade MD acelerado promove a colaboração interdisciplinar e a integração das abordagens de pesquisa e um novo aprendizado, incluindo o treinador-chiqueirole ensino, a aprendizagem ativa, e vários estilos de aprendizagem, incluindo o uso de manuais interativos desenvolvidos para o sistema 3. A implementação do sistema de visualização 3D / VR resultou em publicações revisadas por pares, várias apresentações em conferências, uma tese de mestrado, um prêmio NSF, e colaborações interdisciplinares. Desenvolvimento futuro potencial e expansão do sistema de visualização 3D / VR descrito poderia incluir a adição de ferramentas menu-driven dentro da interface NCK 3D para facilitar a interação direta com o programa MD (LAMMPS), mantendo-se no ambiente de realidade virtual.

A ciência dos materiais é um campo interdisciplinar que examina as relações entre estrutura e propriedades da matéria para a sua aplicação a muitas áreas da ciência e engenharia. Como as relações entre estrutura e propriedades são investigadas através de simulações computacionais, além de experimentação, ferramentas computacionais oferecem recursos complementares que podem aumentar os esforços de investigação. Enquanto os nanomateriais são de interesse para os cientistas e têm valor redentor para o seu potencial de impacto social, este regime tamanho é repleta de muitos desafios encontrados particularmente na experimentação. Simulações de computador permitem que os cientistas e engenheiros para realizar exames especializados em uma grande variedade de ambientes limitados apenas pelo tempo e recursos computacionais. Dinâmica molecular (MD) simulações permitem que o tempo apropriado e comprimento escalas para estudar os fenômenos de interesse em muitos nanomateriais. Simulações expandir o estudo de materiais através da remoção dos constrangimentos de tele laboratório físico, porém muitas ferramentas computacionais falta interfaces acessíveis e intuitivos para a investigação. Enhancement com a exibição gráfica de modelos, algoritmos computacionais eficientes, e unidade de processamento gráfico (GPU) de computação baseada complementar os esforços de simulação atuais. Estes novos dispositivos gráficos combinar com unidades centrais de processamento eficiente para permitir cálculos intensivos matematicamente para ser realizado pela GPU. O resultado é uma aceleração eficaz do cálculo da ordem de 10x acompanhado por uma redução no consumo de energia de até 20x. O objetivo deste projeto de pesquisa foi o de desenvolver e implementar uma nova ferramenta para a investigação nanociência que se conecta diretamente uma interface interativa para simulações de DM, análise de ciência dos materiais e visualização 3D. Este sistema inovador com recursos de análise única e poderosa tem sido utilizado para a pesquisa em nanoescala e educação na UC Merced, com implicações directas a outra rel<html> campos STEM ciados como a nanotecnologia, física, biologia e geologia, e benefício final à educação e à sociedade. O Sistema de Visualização 3D / VR foi implementado tanto como um instrumento de pesquisa e de ensino que permite a criação e manipulação de estruturas atômicas em um ambiente de realidade virtual 3D interativo (VR). O sistema foi criado a partir de um conjunto de custo relativamente baixo e componentes acessíveis, seguindo o modelo originalmente desenvolvido pelo Dr. Oliver Kreylos na UC Davis 1. Abaixo está uma foto do layout 3D final / VR sistema de visualização, com componentes importantes marcados (Figura 1). Este sistema foi criado inicialmente para fins de educação na UC Merced em 2009. A implementação do sistema original em 3D / VR resultou em publicações revisadas por pares 2-3. Tabela 1 abaixo resume as principais características de cada elemento do sistema de visualização 3D / VR. ntent &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. 3D / VR sistema de visualização e os componentes principais (esquerda) no laboratório de pesquisa Davila na UCM e dispositivos de visualização (à direita). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Item </td><td> Componente </td><td> Funcionalidade no Sistema </td></tr><tr><td> A </td><td> TV 3D </td><td> Display 3D de estruturas moleculares modelados e menus na tela. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infravermelho (IR) câmeras de monitoramento 4 </td><td> Câmeras de infravermelho posições de pista dos óculos de visualização Wiimote e 3D na área de trabalho do usuário na frente da TV 3D, permitindo que virtual 3D manipulação de estruturas indicadas. </td></tr><tr><td> C </td><td> PC Acompanhando </td><td> Executa IR software câmera de monitoramento e transmite Wiimote e 3D posições óculos de proteção para o computador de modelagem. </td></tr><tr><td> D </td><td> Wiimote </td><td> Usado para a gestão no ecrã do software de modelagem e de manipular estruturas em ambiente virtual 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> Óculos 3D 5 </td><td> Sincronizado com sinal 3D TV IR, permitir visualização em 3D da estrutura. Posição rastreado por câmeras de infravermelho para visão 3D precisas. </td></tr><tr><td> F </td><td> Modelagem PC </td><td> Executa NCK / VRUI modelagem 3D e exibição software 6, aceita sinais goggle controle de posição e / Wiimote para criar precisas 3D estrutura molecular. </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Funcionalidade dos principais elementos do sistema de visualização 3D / VR na UCM. Description de 3D / VR Sistema de Visualização e componentes básicos: 3D / VR Visualization Visão Geral do Sistema - O 3D / VR Visualization sistema consiste de um conjunto de câmeras de infravermelho e software de monitoramento que opera em conjunto com o software de modelagem 3D para permitir que um usuário para criar de forma interativa 3D estruturas moleculares. As câmeras e software IR rastrear a localização de um Wiimote e 3D óculos de visão por meio de marcadores IR 3D, e passar isso para o software de modelagem. O software de modelagem usa os sinais de controle Wiimote e movimento para gerar estruturas moleculares em 3D visualizáveis ​​através da combinação de uma televisão de grande formato 3D capaz com óculos 3D sincronizados e monitorados. Isso resulta em uma realidade virtual 3D espaço de trabalho dentro da qual o utilizador pode criar e manipular estruturas moleculares virtuais que reflectem o comportamento físico do mundo real baseada em forças inter-atómicas utilizados no software de modelagem (Figura 2) de forma dinâmica. Considerati especiaisons para a criação deste sistema podem ser encontrados em materiais complementares. <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Investigando nanomateriais sílica, utilizando o Sistema de Visualização 3D / VR. (A) Um pesquisador cria um modelo cristobalite inicial (cristalino) antes de simulações baseadas em GPU. (B) Após a realização de um MD simulado procedimento derreter-têmpera do modelo mostrado em (a), outro pesquisador obtém um modelo de vidro de sílica (não-cristalina). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 3D / VR Sistema de Visualização Enhancement - MD capacidade de simulação: Dinâmica molecular sistemas de simulação são comumente aplicados deforma multi-nodais, isto é, uma grande carga de trabalho é distribuído ou paralelizadas entre dezenas a milhares de processadores. Recentemente, oportunidades adicionais para computação científica acelerado ter surgido da evolução do processamento de computação gráfica. Esses avanços incluem uma interface de software permitindo que os cientistas aproveitar a natureza altamente paralelo do poder de processamento intrínseco a chips gráficos. Com o advento do Compute Unified Device Architecture ou CUDA 7, os cientistas podem usar GPUs 8 para aumentar a velocidade em que os problemas são resolvidos, enquanto reduz o custo da infra-estrutura. A GPU típico pode ter o equivalente a centenas de milhares de núcleos ou &quot;nós&quot; para o processamento de informações, e como estas podem ser usadas em paralelo, uma solução bem-codificado pode fornecer até 1.000 vezes aceleração rendimento contra o seu homólogo multi-core . Embora nem todos os problemas é bem adequada para essa abordagem, simulações de DM atuais têm visto até 15x desempenho de transferência ganha 9. Detalhes sobre o sistema de visualização reforço MD-GPU 3D / VR pode ser encontrada em materiais suplementares.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Samsung 61&#34; 3D-capable high definition DLP TV</td>
			<td>Samsung</td>
			<td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Large format 3D-capable TV)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alienware Area51 750i modeling computer</td>
			<td>Alienware</td>
			<td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.1)&#160; (Modeling computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HP EliteBook 8530w tracking computer</td>
			<td>HP</td>
			<td><a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3)&#160; (Tracking computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>V100:R2 IR tracking cameras (3)</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]&#160; (Tracking cameras)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OptiTrack Tracking Tools IR tracking software</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]&#160; (Tracking software)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Goggles and 3D TV IR sync emitter</td>
			<td>Ilixco</td>
			<td><a href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]&#160; (3D goggles)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiimote 3D controller</td>
			<td>Nintendo</td>
			<td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Wiimote)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]&#160; (VRUI, NCK)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&#160;</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]&#160; (LAMMPS)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanospringCarver program code and files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB GUI files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomistic bulk glass input file</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

novel 3d/vr interactive environment for md simulations, visualization and analysis

O crescente desenvolvimento da computação (hardware e software), nas últimas décadas tem impactado a investigação científica em diversas áreas, incluindo a ciência dos materiais, biologia, química e física entre muitos outros. Um novo sistema computacional para a simulação precisa e rápida e visualização 3D / VR de nanoestruturas é apresentado aqui, usando o código-fonte aberto programa de computador dinâmica molecular (MD) LAMMPS. Este método computacional alternativa usa processadores gráficos modernos, tecnologia NVIDIA CUDA e códigos científicos especializados para superar as barreiras de velocidade de processamento comuns aos métodos tradicionais de computação. Em conjunto com um sistema de realidade virtual utilizado para modelar materiais, este acessório permite a adição de capacidade de simulação acelerado MD. A motivação é o de proporcionar um ambiente de pesquisa romance que, simultaneamente, permite a visualização, simulação, modelagem e análise. O objetivo é investigar a estrutura e propriedades de inorgânico nanostructures (por exemplo, nanomolas de vidro de sílica), sob diferentes condições de uso deste sistema computacional inovador. O trabalho apresentado esboça uma descrição do sistema de visualização 3D / VR e componentes básicos, uma visão geral de considerações importantes, tais como o ambiente físico, detalhes sobre a configuração e utilização do novo sistema, um procedimento geral para o reforço MD acelerado, informações técnicas e observações pertinentes. O impacto deste trabalho é a criação de um sistema computacional única que combina materiais em nanoescala simulação, visualização e interatividade em um ambiente virtual, que é tanto um instrumento de pesquisa e ensino na UC Merced.

VR Sistema de Visualização Este 3D / apresenta novas oportunidades para a realização de estudos sobre a ciência de materiais. Como este ambiente imersivo opera em tempo real, sob a forma de entrada 3D e visualização, o pesquisador é apresentado com um instrumento nanométricos totalmente interativo 2. Seguindo o protocolo aqui apresentado, um nanofita sílica helicoidal foi criada desta forma passo-a-passo. Um instantâneo de esta estrutura produzida a partir de LAMMPS MD é mostrado na Figura 7. Esta estrutura foi submetido a testes de tração simulado, e os resultados desta simulação são mostrados na Figura 1 animadas que ilustra a reorganização e falha da estrutura sob as forças de tracção. Ao combinar a interatividade em tempo real e natureza visual de um ambiente imersivo com simulações de DM poderosos 15, os pesquisadores podem se beneficiar de controle intuitivo e análise completo. The reforçada / VR sistema de visualização 3D com capacidade MD foi exaustivamente testado e implementado em pesquisa em nanociência no Lab Davila na UC Merced, concentrando-se em simulações de tração de nanofios de sílica amorfa, nanofitas e nanomolas 15.

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

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

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 ...

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

11.8K visualizações.  University of California Merced. A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

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

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

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 ...

Engenharia

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

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

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

Seletiva Área Modificação de Superfície Wettability Silicon por Pulsed Laser irradiação UV em meio líquido

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

Quantificação de concentrações de hidrogénio nas camadas superficiais e interface e materiais a granel através de perfis de profundidade com Análise reação nuclear

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em&gt; In Situ</em&gt; Carbono Templating xerogéis

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Um novo método para<em&gt; In Situ</em&gt; Caracterização eletromecânica de amostras de nanoescala

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer (IBEX) for Radiomics

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's graphical user interface (GUI) and to demonstrate how IBEX calculated features have been used in clinical studies. IBEX allows for the import of DICOM images with DICOM radiation therapy structure files or Pinnacle files. Once the images are imported, IBEX has tools within the Data Selection GUI to manipulate the viewing of the images, measure voxel values and distances, and create and edit contours. IBEX comes with 27 preprocessing and 132 feature choices to design feature sets. Each preprocessing and feature category has parameters that can be altered. The output from IBEX is a spreadsheet that contains: 1) each feature from the feature set calculated for each contour in a data set, 2) image information about each contour in a data set, and 3) a summary of the preprocessing and features used with their selected parameters. Features calculated from IBEX have been used in studies to test the variability of features under different imaging conditions and in survival models to improve current clinical models.

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer IBEX for Radiomics

We describe IBEX, an open-source tool designed for medical imaging radiomics studies, and how to use this tool. In addition, some published works that have used IBEX for uncertainty analysis and model building are showcased.

Orientações e experiência usando a imagem latente biomarcador Explorer (IBEX) para Radiomics

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's ...

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly dominate the safety and performance of an existing concrete structure. As a result, it is important to measure the geometry and amount of corrosion of a steel bar in a structure properly to assess the residual bearing capacity and service life of the structure. This paper introduces and compares five different methods for measuring the geometry and amount of corrosion of a steel bar. A single 500 mm long and 14 mm diameter steel bar is the specimen that is subjected to accelerated corrosion in this protocol. Its morphology and the amount of corrosion were carefully measured before and after using mass loss measurements, a Vernier caliper, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT). The applicability and suitability of these different methods were then evaluated. The results show that the Vernier caliper is the best choice for measuring the morphology of a non-corroded bar, while 3D scanning is the most suitable for quantifying the morphology of a corroded bar.

This paper measures the geometry and the amount of corrosion of a steel bar using different methods: mass loss, calipers, drainage measurements, 3D scanning, and X-ray micro-computed tomography (XCT).

Análise da aplicabilidade dos métodos de avaliação de parâmetros morfológicos das barras de aço corroídas

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It is intended as a practical and reproducible procedure to identify macroscopic cracks at an early stage and monitor crack propagation during fatigue tests. It consists of strain field measurements at the weld using DIC. Images are taken at fixed load cycle intervals. Cracks become visible in the computed strain field as elevated strains. This way, the whole width of a small-scale specimen can be monitored to detect where and when a crack initiates. Subsequently, it is possible to monitor the development of the crack length. Because the resulting images are saved, the results are verifiable and comparable. The procedure is limited to cracks initiating at the surface and is intended for fatigue tests under laboratory conditions. By visualizing the crack, the presented procedure allows direct observation of macrocracks from their formation until rupture of the specimen.

Digital image correlation is used in fatigue tests on a resonance testing machine to detect macroscopic cracks and monitor crack propagation in welded specimens. Cracks on the specimen surface become visible as increased strains.

Monitoramento de crack em testes de fadiga de ressonância de espécimes soldados usando correlação de imagem digital

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...

Surgery and Sample Processing for Correlative Imaging of the Murine Pulmonary Valve

The underlying causes of heart valve related-disease (HVD) are elusive. Murine animal models provide an excellent tool for studying HVD, however, the surgical and instrumental expertise required to accurately quantify the structure and organization across multiple length scales have stunted its advancement. This work provides a detailed description of the murine dissection, en bloc staining, sample processing, and correlative imaging procedures for depicting the heart valve at different length scales. Hydrostatic transvalvular pressure was used to control the temporal heterogeneity by chemically fixing the heart valve conformation. Micro-computed tomography (&#181;CT) was used to confirm the geometry of the heart valve and provide a reference for the downstream sample processing needed for the serial block face scanning electron microscopy (SBF-SEM). High-resolution serial SEM images of the extracellular matrix (ECM) were taken and reconstructed to provide a local 3D representation of its organization. &#181;CT and SBF-SEM imaging methods were then correlated to overcome the spatial variation across the pulmonary valve. Though the work presented is exclusively on the pulmonary valve, this methodology could be adopted for describing the hierarchical organization in biological systems and is pivotal for the structural characterization across multiple length scales.

Here, we describe a correlative workflow for the excision, pressurization, fixation, and imaging of the murine pulmonary valve to determine the gross conformation and local extracellular matrix structures.

Cirurgia e Processamento de Amostras para Imagem Correlativa da Válvula Pulmonar Murina

The underlying causes of heart valve related-disease (HVD) are elusive. Murine animal models provide an excellent tool for studying HVD, however, the ...

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

Resumo

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Capítulos neste vídeo

Nanoespirais escaláveis para estudos de previsão e melhor visualização 3D

Seletiva Área Modificação de Superfície Wettability Silicon por Pulsed Laser irradiação UV em meio líquido

Quantificação de concentrações de hidrogénio nas camadas superficiais e interface e materiais a granel através de perfis de profundidade com Análise reação nuclear

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela

Um novo método para

Orientações e experiência usando a imagem latente biomarcador Explorer (IBEX) para Radiomics

Análise da aplicabilidade dos métodos de avaliação de parâmetros morfológicos das barras de aço corroídas

Monitoramento de crack em testes de fadiga de ressonância de espécimes soldados usando correlação de imagem digital

Cirurgia e Processamento de Amostras para Imagem Correlativa da Válvula Pulmonar Murina

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