Name: Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-11-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: Erfahren Sie die Erstellung atomistischer Modelle nanohelikaler Strukturen mit Open-Source-Molekulardynamik-Software und MATLAB. Diese Methoden ermöglichen skalierbare Nano-Springs und Nano-Ribbons für Simulationsstudien.

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Die Autoren wollen Tim Allis für seine Unterstützung bei diesem Projekt danken an der UC Merced. Die NSF-MÜNZEN-Programm an der UCM unterstützt (KAM) in einem frühen Teil dieser Arbeit. Eine NSF-BRIGE Auszeichnung unterstützt Co-Autoren (BND und KAM), die Bereitstellung von Mitteln für diese Arbeit und Reisekosten zu Konferenzen. Die Forschungsgruppe möchte vor allem die National Science Foundation für die Finanzierung dieser Arbeit über eine BRIGE Auszeichnung anzuerkennen. Dieses Material basiert auf der Arbeit von der National Science Foundation unter Grant No 1032653 unterstützt wird.

1. Vorbereiten NanospringCarver Dateien und Starten von MATLAB auf einem Linux-PC Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer entwickelt, um die Verwendung der Dateien online 26 vorzunehmen. <ol><li> Entpacken Sie die Datei nanosprings.tar.gz Archiv in das &quot;Home&quot; oder einer anderen bevorzugten Verzeichnis. <ol><li> Laden Sie die nanosprings.tar.gz Dateiarchiv aus dem Web Repository 26. </li><li> Suchen Sie die heruntergeladene Archiv und verschieben Sie sie in einer bevorzugten Arbeitsverzeichnis mit dem Titel &quot;Dokumente / nano&quot;. </li><li> Rechts-Klick nanosprings.tar.gz und wählen Sie &quot;hier entpacken&quot; aus dem Rechtsklick-Kontextmenü. </li></ol></li><li> Überprüfen Sie, ob alle erforderlichen Dateien im aktuellen Verzeichnis vorhanden sind. Eine Liste dieser Dateien und deren Zweck folgt: Makefile - Compile-Datei für nanosprings.cpp und Point.cpp manuell verwaltet Nanosprings.fig -MATLAB GUI Interna Nanosprings.m -MATLAB GUI-Code Point.cpp - Point (Atom) Klassendefinition Point.h - Point (Atom) Klassenheader schnitzen - Stand-alone-nano ausführbaren example.par - Beispiel-Parameterdatei glasscube.inp - glasscube Datendatei nanosprings.cpp - Hauptnano Code nanosprings_diagram.jpg - Beispiel nanospring zur Anzeige nanospringsmex.cpp - MATLAB integrierten nanosprings.cpp nanospringsmex.mexglx - MATLAB integrierte nano ausführbaren Hinweis: Der Benutzer muss die &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; ausführbare Datei für die jeweilige Linux-Rechner verwendet wird (32-Bit-Version in diesem Beispiel) erstellen. Wenn dies noch nicht geschehen ist, prüfen Sie den Zugriff auf die MATLAB &quot;mex&quot; Compilerindem Sie auf der Kommandozeile &quot;, die mex&quot; und Überprüfung der Existenz des Programms. Überprüfen Sie auch Zugriff auf die MATLAB-Programm, indem Sie auf der Kommandozeile &quot;, die MATLAB&quot;. Verwenden einer Befehlszeile auf &quot;mex nanospringsmex.cpp Point.cpp&quot; geben die &quot;nanospringsmex.mexglx&quot; ausführbare MATLAB integrierten NanospringCarver Datei zu erzeugen, wie in der Anleitung unten. Obwohl nicht für die GUI-Schnittstelle erforderlich ist, können Sie falls gewünscht ein Stand-alone-Version des NanospringCarver Programm durch Eingabe von &quot;make&quot; in einer Befehlszeile erstellt werden. Dies wird die nanosprings.cpp und Point.cpp Programmelemente zusammen kompilieren, um die &quot;schnitzen&quot; ausführbare Datei zu erstellen. In diesem Tutorial, der &quot;glasscube.inp&quot; Datei enthält Positionsinformationen für 192.000 Silicium- und Sauerstoffatomen representin<html> ga Quarzglas-Modell, wobei jede Zeile ein Atom enthält, ID, Atomtyp und x, y, z-Koordinaten für das Atom. Die erste Zeile der Datei ist die Gesamtatomzahl (192.000). Die Atomkoordinaten in dieser Datei sind relative Werte, die, wenn sie von 0,716 multipliziert würde Nanometer große Entfernungen übermitteln. </li><li> Auf dem Desktop, öffnen Sie ein Terminal-Fenster. Auf vielen Linux-Versionen erreichen dies durch gleichzeitiges Drücken der &quot;Strg&quot;, &quot;Alt&quot; und Schlüssel &quot;T&quot;. </li><li> Ändern Sie das Verzeichnis in den Ordner, in den die nanoProjektDateien wurden von Tipp extrahiert: cd Documents / nano / </li><li> Als nächstes führen Sie den Befehl, um die binäre für das System durch Typisierung zu kompilieren: mex nanospringsmex.cpp Point.cpp </li><li> Weiter zu initiieren MATLAB durch Eingabe von MATLAB auf der Kommandozeile </li></ol> 2. Ändern und über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit dem NanospringCarver Programm ove_content &quot;&gt; Gehen Sie folgendermaßen mit den Dateien online 26 vorgesehen. <ol><li> Öffnen Sie die Führung in MATLAB durch Anklicken des GUIDE Symbol in der oberen linken Leistenbereich (Abbildung 2), um ein neues Fenster mit dem GUIDE schnellen Start (Abbildung 3) anzuzeigen. </li></ol><img alt="Figur 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" /> Abbildung 2: MATLAB Benutzeroberfläche zeigt, wie MATLAB GUIDE öffnen. <img alt="Figur 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" /> Abbildung 3: MATLAB GUIDE Schnittstelle Initialisierung. <ol start="2"><li> Verwenden Sie die &quot;Open Existing GUI&quot; Registerkarte (Abbildung 4), um eine bestehende Figur ändern. Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Durchsuchen&quot;, um für die bestehende GUI suchenAbbildung modifiziert werden. Nachdem Sie die Zahl Datei (Nanosprings.fig, siehe blaue Box), klicken Sie auf &quot;Öffnen&quot; auf beiden Fenstern, die ein neues Fenster mit der GUI Abbildung anzuzeigen. Suchen Sie die Tasten zur Verfügung für GUI-Erstellung auf der linken Seite (Abbildung 5) verwendet werden. </li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" /> Abbildung 4: MATLAB GUIDE-Schnittstelle zeigen, wie man eine bestehende GUI Figur Datei zu öffnen. <img alt="Figur 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" /> Abbildung 5: MATLAB GUIDE Schnittstelle zeigt Werkzeuge zum Ändern eines vorhandenen GUI Figur. <ol start="3"><li> Um die GUI auszuführen, klicken Sie auf &quot;Ausführen&quot; im Rahmen der &quot;Menü Extras &quot;. Dann klicken Sie auf &quot;Ja&quot;, wenn ein Pop-up-Fenster aufgefordert, ob die Figur vor dem Ausführen zu speichern. Ein neues Fenster zeigt die modifizierte GUI. </li><li> Erstellen Sie gegebenenfalls eine andere GUI für einen anderen spezifischen Materials mit diesen GUI als Beispiel. </li><li> So richten Sie das Beispiel auszuführen, klicken Sie zuerst auf den Button &quot;Select Input Modelldatei&quot; an der Spitze der GUI und navigieren Sie zu der Datei &quot;glasscube.inp&quot;. Wählen Sie diese Datei und klicken Sie auf &quot;Öffnen&quot;, um das Browser-Fenster zu schließen. Die ausgewählte Eingabedatei und den Pfad, um es sollte nun in der GUI-Fenster erscheint auf der rechten Seite der &quot;Selected Eingabemodelldatei&quot; (Bild 6). </li></ol><img alt="Figur 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" /> Abbildung 6: Screenshot der Verwendung GUI, um ein Beispiel Kieselsäure nanospring Modell erstellen. <ol start="6"><li> Als Nächstes verwenden Sie die Schaltfläche &quot;Durchsuchen&quot; im Abschnitt &quot;Output-Modell&quot; zu suchen und wählen Sie das Verzeichnis, um das Ausgangsmodell in speichern. Stellen Sie sicher, dass die Ausgabe-Verzeichnis wird aktiv, um für den Lauf ausgewählt aktiviert sein, auch wenn es ein Ausgabeverzeichnis bereits in der Begleit Fenster auf der rechten Seite dieses Buttons aufgelistet. Hinweis: Die &quot;Erweiterte Parameter Mindestabstand&quot; Wert aufgeführt (0.209311 in Abbildung 6) wurde speziell für die &quot;glasscube.inp&quot; Eingabedatei in diesem Beispiel bereitgestellt berechnet und sollte so belassen werden. Dieser Wert kann bei Bedarf bei der ersten Verwendung eines anderen Eingabedatei, indem Sie einen Wert von &quot;0&quot; in diesem Ort, bevor Sie das Modell berechnet werden. In diesem Beispiel sind alle Parameterwerte in relativen Einheiten bezogen auf den Eingangs entsprechen Atomkoordinatensystem. Wenn von 0,716 multipliziert die Parameterwerte würden Nanometer große Entfernungen übermitteln. &lt;/ Li&gt; <li> Führen Sie das Beispiel mit den gegebenen Federparameter von r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5 und d = 0,209311 durch Drücken der GUI Schaltfläche &quot;Ausführen&quot;. Ansehen Feedback von der Flucht in der MATLAB-Kommandofenster (Abbildung 7). In der Rückmeldung, ob die Federparameter bestätigt werden, dass die Eingabedatendatei erfolgreich gelesen, und die Ergebnisse in der Ausgabedatei mit dem Namen gespeichert &quot;Modell&quot; beschrieben. </li></ol><img alt="Figur 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" /> Abbildung 7: MATLAB Befehlsfenster Feedback von GUI-basierten nanoLauf. Hinweis: Im obigen Beispiel wird die Datei &quot;Modell&quot; enthält 5176 Atomen, die die gewünschte Feder, eine pro Zeile, mit der ersten Zeile geben Sie die Gesamtzahl der Atomein der Datei. Jede Linie, die ein Atom enthält, das Atom ID, Atomtyp und x, y, z Koordinaten dieses Atom. <ol start="8"><li> Sobald die GUI-Schnittstelle abgeschlossen ist, führen aufeinanderfolgenden Durchläufen durch einen Rechtsklick auf &quot;Nanosprings.m&quot; in der MATLAB &quot;Current Folder&quot; Fenster, und wählen Sie &quot;Ausführen&quot;, um die GUI-Schnittstelle direkt aufzurufen. Hinweis: Verschiedene Referenzen aufgelistet 27-31 für zusätzliche Informationen über MATLAB GUIDE und dem Grund GUIDE Schnittstelle. </li></ol> 3. Überprüfen NanospringCarver Ergebnisse in einem Open-Source-Visualizer 19 Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer zu visualisieren und überprüfen Sie die Ausgabe Frühjahr Modelle erstellt von NanospringCarver gestaltet. <ol><li> Verwenden Sie die NanospringCarver MATLAB GUI, wie oben beschrieben, um Dateien zu erzeugen für die Eingabe in das Visualisierungsprogramm 19. Bei der Ausführung des Visualisierungsprogramm, verwenden Sie den &quot;point Coordinate file &quot;Eingabemöglichkeit, unterscheiden Atomtypen nach Farbe, und wählen Sie eine Achse Rasterrahmen für das Feld. </li><li> Entfernungen messen in den Federmodelle und eine Aufzeichnung von ihnen. </li><li> Vergleichen Sie Messdaten gegen gewünschten Federabmessungen und überprüfen Federmodellgenauigkeit. </li></ol> 4. Mit NanospringCarver Ergebnisse in MD Zug Simulationen von nano Folgende Schritte sind für eine allgemeine Benutzer die Frühjahr Modelle als Eingabe erstellt von NanospringCarver zu einem herkömmlichen Open-Source-MD-Code 32 verwenden zusammengefasst. <ol><li> Laden Sie die neueste Version der Open-Source-MD-Programm LAMMPS. Siehe entsprechende Online-Dokumentation für Handbücher und Beispiele. </li><li> Bestimmen Sie die Maße des gewünschten nanospring Modell, um den entsprechenden Anfangsgroß Quarzglas Modell vorzubereiten, als vor 18 gemeldet. </li><li> Erstellen Sie die gewünschte nanospring Modell mit dem NanospringCarver MATLAB GUI (siehe Section 2 oben). </li><li> Führen Zug- Simulationen auf den gewünschten nanospring, durch Strecken der Modell axial 11,13,23. Produzieren eine repräsentative Video nanospring Modell gestreckt (siehe Abbildung 8, unterhalb und Animations Abbildung 1) zur Visualisierung und Analyse. Forschungsergebnisse in Bezug auf die Spannungs-Dehnungs-Verhalten und Steifigkeit von mehreren nanospring Modelle unter Spannung wurden an anderer Stelle 23 angegeben. </li></ol><img alt="Figur 8" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" /> Abbildung 8: Screenshot einer Kieselsäure nanospring während Zug- Simulation (siehe auch animierte Figur 1).

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Änderung der ursprünglichen Ansatz zur nanohelical Strukturen führte zur Entwicklung von zwei unterschiedlichen Codes, um die Erstellung der beiden Nanobändern und nano von einem Anfangsgroß Quarzglas MD-Modell ermöglichen erstellen. Die Verifikation der Kieselsäure Nanoband und nanospring Modellen wurde mit verschiedenen Softwarepaketen 19-20, die ihre Dimensionsgenauigkeit innerhalb der Messfähigkeit der Programme bestätigt verfolgt. Vergleich zwischen nano und Nanobändern wurde auch durch die Überlagerung ...

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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

Helikalen Nanostrukturen werden typischerweise im Labor unter Verwendung von chemischen Dampfabscheidungstechniken 1-2, während neue Ansätze sind in der Literatur 3 gemeldet. Insbesondere nano und Nanobänder wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und vielversprechende Anwendungen in Sensoren, Optik und elektromechanische und fluidische Geräte 4-7 untersucht. Es wurden Syntheseverfahren berichtet, Siliciumdioxid (SiO 2) Nanobänder zu erzeugen, so dass diese Strukturen Potential Baustein Einheiten für hierarchische Systeme. Neuartige Synthese von 3D Kieselsäure nano hat ihre Anwendungen auf Chemoresistoren erweitert, wenn mit ZnO 8 oder Nanopartikel für diagnostische Anwendungen 9-10 beschichtet. Experimentelle Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Kieselsäure nano und Nanobänder sind knapp, vor allem auf die jeweiligen Einschränkungen in Manipulation und Prüfmethoden und equipment. Untersuchungen der Nanomechanik von Nanostrukturen und nano wurden mit Theorie und Simulationen 11-14 berichtet. Einige Simulationen 13 haben sich auf nanomechanische Verhalten von amorphen nano konzentriert, weil sie Regime durch Experimentieren nicht barriere erkunden. Atomistische Studien von metallischen nano wurden in der Literatur berichtet wurde, um die Größenabhängigkeit der elastischen Eigenschaften 15 zu untersuchen, und in jüngerer Zeit die Nano von Schrauben kristallines Siliciumdioxid-Nanostrukturen. 14 experimentelle Erprobung nanospring Strukturen auch in anderen Materialien, wie Kohlenstoff-Nanostrukturen und Schraubengeführt Kohlen nanocoils 16-17. Trotz versammelt das Wissen so weit, wird ein umfassenderes Verständnis der mechanischen Eigenschaften dieser neuartigen Nanostrukturen für die künftige Nanovorrichtung Herstellungs Anstrengungen erforderlich. Als MD Studien von Kieselsäure gMädel (nicht-kristalline Kieselsäure) Nanohelices sind noch recht begrenzt, die atomistische Modellierung solcher Strukturen erfordert die Erstellung von kundenspezifischen Codes. Keine andere alternative Methoden zum Erstellen von Quarzglas Helix MD Modelle wurden bisher auf den letzten Literaturrecherche identifiziert. In dieser Arbeit wird ein Bottom-up-Ansatz für die atomistische Modellierung von spiralförmigen Quarzglas Nanostrukturen einschließlich nano und Nanobänder für künftige umfangreiche MD nano Simulationen verfolgt. Der allgemeine Ansatz beinhaltet die Schaffung einer MD &quot;bulk&quot; Quarzglas Modell wie zuvor berichtet 18, und Carving verschiedene spiralförmige Nanostrukturen aus diesem &quot;Bulk&quot; Probe über zwei robuste und anpassungsfähige Computercodes für diesen Zweck entwickelt. Beide Rechenverfahren bieten einen deutlichen Weg zur Nanoband und nanospring Modelle mit großer Effizienz und atomistischen Detail zu erstellen; Diese Strukturen sind geeignet für große atomistische Simulationen.Darüber hinaus wird eine kundenspezifische grafische Benutzeroberfläche zur Erstellung und Darstellung der Helixstrukturen zu erleichtern. Die Struktur der &quot;bulk&quot; Quarzglas Modell wird zunächst bei Raumtemperatur hergestellt. Groß MD-Simulationen werden zu diesem Zweck mit der Garofalini geführt interatomare Potential ähnlich früheren Studien 18, die rechnerisch und für große Systeme geeignet relativ effizient ist. Die anfängliche &quot;bulk&quot; Quarzglas Struktur besteht aus einem kubischen Modell (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), die 192.000-Atomen enthält. Die &quot;bulk&quot; Quarzglas-Modell wird bei 300 K für 0,5 nsec äquilibriert, um den Anfangszustand mit periodischen Randbedingungen zu erhalten. Zwei Rechenprozeduren sind so konzipiert und genutzt, um atomistische Silica Nanoband und nanospring Modelle erstellen. Die erste Methode beinhaltet Carving Silica-Nanobänder ausdie &quot;bulk&quot; Struktur mit Hilfe der parametrischen Gleichungen, die eine Helix zu definieren und seine Geometrie (Tonhöhe, Radius von Helix und Drahtradius). Dieses Verfahren schließt mit der AWK-Programmiersprache, dem Betriebssystem Linux und Open-Source-Visualisierungssoftware 19. Die allgemeine iterative Prozedur atomistischen Modellen von Nanobänder erzeugen beinhaltet: (1) Auswählen eines Atom im &quot;bulk&quot; Quarzglas-Modell, (2) die Berechnung der Entfernung von dem ausgewählten Atom, an einem Punkt im Raum auf einem vordefinierten Schraubenfunktion, (3) Vergleich dieses Abstandes mit dem Radius des gewünschten Nanoband, und (4) das Verwerfen oder halten das Atom in einen Ausgangsdatenmodell. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material enthalten. Mit dieser Methode wurden mehrere Silica-Nanobänder mit unterschiedlicher Steigung, Radius von Helix und Nanoband Radiuswerte, die anschließend gemessen wurden geschaffenfür Genauigkeit gegen den gewünschten Dimensionswerte mit molekularen Analyse und Visualisierungssoftware 19-20. Atomistischen Modellen von Siliciumdioxid-Nanobänder wurden mit funktionellen Geometrien (hohe Werte von Pech und niedrige Werte von Nanoband Radius) erzeugt. Einige Artefakte, die aus in Fehler ausgeschlossen Stoffatomen, die zu einer weniger glatten Oberfläche Nanoband, wurden bei extrem hohen Nanoband Radiuswerte und sehr niedrige Steigungswerte beobachtet. Ähnliche Verfahren sind in den Prozess der Erstellung Silica-Nanodrähte 21-23 verwendet. Die zweite hier vorgestellte Verfahren beinhaltet Carving Kieselsäure nano vom &quot;bulk&quot; Siliziumdioxidstruktur durch Implementierung Pre-Screening Methoden, um die Effizienz zusätzlich für eine Helix zu erhöhen, um die mathematischen Gleichungen. Dieses Verfahren benötigt die Schaffung eines robusteren C ++ Code, um eine größere Flexibilität bei der Modellierung dieser spiralförmigen Nanostrukturen zu ermöglichen. Die iterative Methode Atomis erstellentic Modelle von nano umfasst: (1) Verwerfen aller Atome garantiert außerhalb der schraubenförmigen Bahn fallen, (2) determinis Auswählen eines Punktes auf der schraubenförmigen Bahn (3) Vergleichen aller Atome in einem bestimmten Abstand zu diesem ausgewählten Punkt und (4 ) Entsorgen oder Lagern jedes Atom in einem Ausgabedatenmodell. Eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist auch in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material. Mit dieser Methode mehrere Kieselsäure nanospring Modelle wurden mit unterschiedlichen Abmessungen (Drahtradius, Radius der Helix und Tonhöhe nanospring) erhalten, wie enthalten in Abbildung 1 dargestellt. Hochpräzise Kieselsäure nanospring Modelle wurden effizient mit diesem Verfahren erhalten, ohne Anzeichen von Artefakten bei extremen gefunden (niedrig und hoch) Tonhöhenwerte für das nanospring. Die Erstellung und Verwendung der grafischen Benutzerschnittstelle für dieses Verfahren ist in dem Protokoll beschrieben. Fig. 1: Eine allgemeine Helixstruktur, die charakteristische Abmessungen, wobei R, R und p die Drahtradius, der Radius der Helix, und die Tonhöhe bzw. H die Gesamthöhe der helikalen Struktur 23. Dieses Protokoll beschreibt, wie die NanospringCarver Dateien vorzubereiten, läuft MATLAB 24 auf einem Linux-PC 25, und verwenden Sie eine grafische Benutzeroberfläche zur atomistischen nanospring Modelle vorzubereiten. Diese bisher nicht Modelle dienen als Grundlage für neuartige Molekulardynamik (MD) Simulationen 23 zu Materialien Innovationsforschung. Die allgemeine Schritt-für-Schritt-Verfahren zur atomistischen nanospring Modelle erstellen beinhaltet mit den folgenden Elementen: (a) NanospringCarver (. V 0.5 beta) Code (Open-sauerce in C ++), (b) Groß Quarzglas Modell (Input-Datei), (c) MATLAB GUI-Schnittstelle und die zugehörigen Dateien, und (d) MATLAB-Software (Version 7) mit einer lokalen Lizenz auf einem Linux-PC. Items (a) - (c) oben (NanospringCarver Code, Quarzglas Modell, MATLAB GUI-Dateien) sind frei, Online-26 herunterladen. MATLAB (Matrix Laboratory) ist ein High-Level-Sprache für numerische Berechnungen, Visualisierung und Anwendungsentwicklung von MathWorks 24, die vor allem für die Datenvisualisierung und Analyse, Bildverarbeitung und Bioinformatik verwendet.

<table><tbody><tr><td>MATLAB numerische Rechensoftware</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>Siehe Protokolleinführung und Referenz [24]</td></tr><tr><td>NanospringCarver Programmcode und Dateien</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Siehe Protokoll Abschnitt 1 (Schritt 1.2) und Referenz [26]</td></tr><tr><td>MATLAB GUI-Dateien</td><td>UC Merced - Open Source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Siehe Protokoll Abschnitt 1 (Schritt 1.2) und Referenz [26]</td></tr><tr><td>Atomistische Bulk-Glas-Eingabedatei</td><td>UC Merced - Open Source</td><td><a href="http:// tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Siehe Protokoll Abschnitt 1 (Schritt 1.2) und Referenz [26]</td></tr><tr><td>IFrIT Visualisierungssoftware</td><td>Open-Source-Software</td><td><a href="http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/</a></td><td>Siehe Protokoll Abschnitt 3 und Referenz [19]</td></tr><tr><td>LAMMPS Molekulardynamik-Software</td><td>Open-Source-Software</td><td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/</a></td><td>Siehe Protokoll Abschnitt 4 und Referenz [32]</td></tr></tbody></table>

skalierbare nanohelices für predictive studies und enhanced 3d-visualisierung

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Federartigen Materialien sind in der Natur allgegenwärtig und Interesse an der Nanotechnologie für Energy Harvesting, Wasserstoffspeicher und biologische Sensoranwendungen. Zur vorausschauenden Simulationen wurde es zunehmend wichtig, in der Lage, die Struktur der Nanohelices genau zu modellieren. Um die Wirkung der lokalen Struktur auf die Eigenschaften dieser komplexen Geometrien muss man realistische Modelle entwickeln zu studieren. Bisher sind Software-Pakete eher bei der Schaffung atomistischen Helixmodelle beschränkt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von atomistischen Modellen aus Quarzglas (SiO 2) Nanobänder und nano für Molekulardynamik (MD) Simulationen. Verwendung eines MD-Modell &quot;bulk&quot; Quarzglas, zwei Rechenverfahren, die Form der Nanobänder und nano gerade erstellt werden vorgestellt. Die erste Methode verwendet die AWK Programmiersprache und Open Source-Software, um effektiv zu schnitzen verschiedenen Formen von Siliciumdioxid-Nanobänder aus dem initial Großmodell mit gewünschten Abmessungen und parametrische Gleichungen, um eine Spirale zu definieren. Mit diesem Verfahren kann eine genaue atomistischen Silica-Nanobänder für eine Reihe von Tonhöhenwerten und Abmessungen erzeugt werden. Das zweite Verfahren beinhaltet eine robustere Code, der in der Modellierung nanohelical Strukturen Flexibilität ermöglicht. Dieser Ansatz verwendet einen C ++ Code geschrieben werden, um besonders Pre-Screening-Methoden sowie die mathematischen Gleichungen für eine Helix zu implementieren, was zu einer höheren Präzision und Effizienz bei der Erstellung nanospring Modellen. Verwendung dieser Codes, gut definierte und skalierbare Nanobänder und nano für atomistische Simulationen geeignet effektiv erzeugt werden. Ein Mehrwert in beiden Open-Source-Codes ist, dass sie an unterschiedliche Helixstrukturen, unabhängig von Material zu reproduzieren. Zusätzlich ist ein MATLAB grafische Benutzeroberfläche (GUI) verwendet, zur Verbesserung des Lernens durch Visualisierung und Interaktion für einen allgemeinen Benutzer mit der atomistischen Helical Strukturen. Eine Anwendung dieser Methoden ist die aktuelle Studie von Nanohelices über MD-Simulationen für mechanische Energie Erntezwecken.

Atomistischen Nanoband-Modelle mit der ersten Rechenverfahren (Nanobänder Code) erzeugt und ihre zugehörigen Maße sind in 9 gezeigt. Die resultierenden nanospring Modelle unter Verwendung der zweiten Berechnungsverfahren (nano code) und die zugehörigen Abmessungen sind in Abbildung 10 dargestellt. <img alt="Figur 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" /> Abbi...

Präzise Modellierung nanohelical Strukturen ist wichtig für Simulations-Vorhersage Studien, die zu neuartigen Anwendungen der Nanotechnologie. Derzeit werden Software-Pakete und Codes bei der Schaffung von atomistischen Helixmodelle beschränkt. Wir präsentieren zwei Verfahren entwickelt, um atomistische nanohelical Modelle für Simulationen zu erstellen, und eine grafische Oberfläche, die Forschung durch Visualisierung zu verbessern.

Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung

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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, atomistische Modelle von helikalen Nano-Federn und Nano-Bändern mithilfe einer Open-Source-Software für molekulardynamische oder MD-Simulationen zu erstellen. In diesem Video wird beschrieben, wie man Modelle von Nano-Federn aus Kieselglas vorbereitet, indem man zunächst eine geeignete atomistische Eingabedatei für bulk-Kieselglas sowie die Open-Source-Programmdateien des Nano-Springing-Carvers erstellt. Der zweite Schritt besteht darin, MATLAB auf einem Linux-PC zu starten und die grafische Benutzeroberfläche des Nano-Springing-Carvers zu verwenden, um ein gewünschtes Nano-Feder-Modell zu generieren.Anschließend werden die Ergebnisse des Nanospring-Carvers in einem Open-Source-Visualisierungsprogramm überprüft. Der letzte Schritt besteht darin, die Ergebnisse für MD-Zugversuchssimulationen von Federn zu verwenden. Letztendlich können eine Vielzahl gut definierter und skalierbarer nano-helikaler Modelle effizient für MD-Simulationen im Rahmen der Forschung zur Materialinnovation erzeugt werden.Ich entwickelte erstmals die Idee, diese Methode anzuwenden, als ich molekulardynamische Simulationen von Nanostrukturen wie Nanodrähte

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Wir verwendeten Synchrotron-Tomographie an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in nicht-invasiv zu produzieren 3D-tomographischen Datensätze mit einer Pixel-Auflösung von 0.7μm. Mit Volume-Rendering-Software, ermöglicht dies die Rekonstruktion der internen Strukturen in ihrem natürlichen Zustand ohne Artefakte durch histologische Schnitte hergestellt.

Nicht-invasive 3D-Visualisierung mit Sub-Mikron-Auflösung mit Synchrotron-Röntgen-Tomographie

Protokolldaten werden für in vitro-Markierung humaner embryonaler Stammzellen, die mit der zweiten Harmonischen erzeugenden Nanopartikeln bereitgestellt. Methoden zur Untersuchung von hESC Multi-Photonen-Mikroskopie und deren Differenzierung in Herz Cluster werden ebenfalls vorgestellt.

Harmonic Nanopartikel für Regenerative Forschung

Ein neues Rechensystem mit GPU-beschleunigter Molekulardynamiksimulation und 3D/VR-Visualisierung, Analyse und Manipulation von Nanostrukturen wurde implementiert und stellt einen neuartigen Ansatz dar, um die Materialforschung voranzutreiben und innovative Untersuchungen und alternative Methoden zu fördern, um mehr über Materialstrukturen mit Dimensionen zu erfahren, die für das menschliche Auge unsichtbar sind.

Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

Dieses Papier stellt ein Protokoll für die Verarbeitung von Kryo-EM-Bildern mit der Software-Suite SPHIRE vor. Das vorliegende Protokoll kann für fast alle Einzelteilchen-EM-Projekte angewendet werden, die auf eine nahezu atomare Auflösung abzielen.

Hochauflösende Einzelteilchenanalyse aus Elektronen-Kryomikroskopie-Bildern mit SPHIRE

Über eine Vielzahl von Anzeichen der Krankheit werden mehr physiologisch relevanten Modelle entwickelt und implementiert in Drug Discovery-Programme. Das neue Modellsystem hier beschriebenen zeigt wie dreidimensionale Tumor Sphäroide kultiviert und in ein Hochdurchsatz-1536-Well-Platte-basiertes System zur Suche neuer Krebsmedikamente abgeschirmt werden können.

Generation von Hochdurchsatz-dreidimensionale Tumor Sphäroide für Drogen-Screening

Wir beschreiben eine Methode, um Geräte für die 3D-Kultur zu konstruieren und mit Zellen und multikellulären Organoiden zu experimentieren. Dieses Gerät ermöglicht die Analyse von zellulären Reaktionen auf lösliche Signale in 3D-Mikroumgebungen mit definierten Chemoattractged-Steigungen. Organoide sind besser als einzelne Zellen, wenn es um die Erkennung schwacher lauter Eingänge geht.

3D-Analyse von multizellulären Reaktionen auf tschoattraktive Verläufe

Nanoskalige Bildgebung klinischer Gewebeproben kann das Verständnis der Krankheitspathogenese verbessern. Expansionspathologie (ExPath) ist eine Version der Erweiterungsmikroskopie (ExM), modifiziert für die Kompatibilität mit Standard-Klinischen Gewebeproben, um die nanoskalige Konfiguration von Biomolekülen mit herkömmlichen Beugungsmikroskopen zu untersuchen.

Nanoskopische Bildgebung menschlicher Gewebeabschnitte über physikalische und isotrope Expansion

Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von drei verschiedenen Arten von Sphäroiden in einer Weise, die sie für ein groß angelegtes High-Content-Screening und -Analyse geeignet macht. Darüber hinaus werden Beispiele vorgestellt, die zeigen, wie sie auf Sphäroid- und Einzelzellebene analysiert werden können.

Eine robuste Methode für die großtechnische Produktion von Sphäroiden für High-Content-Screening- und Analyseanwendungen

Das vorliegende Protokoll beschreibt eine experimentelle Plattform zur Bewertung der Auswirkungen mechanischer und biochemischer Hinweise auf chemotherapeutische Reaktionen von patientenabgeleiteten Glioblastomzellen in 3D-matrixmimetischen Kulturen unter Verwendung eines maßgeschneiderten UV-Beleuchtungsgeräts, das die Hochdurchsatz-Photovernetzung von Hydrogelen mit abstimmbaren mechanischen Eigenschaften ermöglicht.

Hydrogel-Arrays ermöglichen erhöhten Durchsatz für Screening-Effekte von Matrixkomponenten und Therapeutika in 3D-Tumormodellen

Dieses Protokoll beschreibt detailliert, wie man ein Ein-Objektiv-Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskop baut und wie es zur Visualisierung von Zytoskelettnetzwerken verwendet wird.

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Erfahren Sie die Erstellung atomistischer Modelle nanohelikaler Strukturen mit Open-Source-Molekulardynamik-Software und MATLAB. Diese Methoden ermöglichen skalierbare Nano-Springs und Nano-Ribbons für Simulationsstudien.

Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung

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