Name: Skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-11-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: Poznaj metody tworzenia atomistycznych modeli nanohelis i nanowstęg przy użyciu otwartego oprogramowania do symulacji dynamiki molekularnej. Techniki te umożliwiają zaawansowane wizualizacje 3D i innowacyjne badania materiałowe.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować Timowi Allisowi z UC Merced za pomoc w tym projekcie. Program NSF-COINS na UCM wspierał (KAM) we wczesnej fazie tej pracy. Nagroda NSF-BRIGE wspierała współautorów (BND i KAM), zapewniając fundusze na tę pracę i koszty podróży na konferencje.
Grupa badawcza pragnie przede wszystkim podziękować Narodowej Fundacji Nauki za sfinansowanie tej pracy poprzez nagrodę BRIGE. Ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez National Science Foundation w ramach grantu nr 1032653.

1. Przygotowanie plików NanospringCarver i uruchomienie programu MATLAB na komputerze z systemem LINUX
Poniższe kroki zostały opracowane w celu umożliwienia użytkownikowi korzystania z plików udostępnionych online26.
<ol>
	<li>Rozpakuj archiwum plików nanosprings.tar.gz do katalogu „Home” lub innego wybranego katalogu.
	<ol>
		<li>Pobierz archiwum plików nanosprings.tar.gz z repozytorium internetowego26.</li>
		<li>Zlokalizuj pobrane archiwum i przenieś je do wybranego katalogu roboczego o nazwie „Documents/Nanosprings”.</li>
		<li>Kliknij prawym przyciskiem myszy plik nanosprings.tar.gz i wybierz opcję „wypakuj tutaj” z menu kontekstowego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Upewnij się, że w bieżącym katalogu znajdują się wszystkie wymagane pliki. Poniżej znajduje się lista tych plików wraz z ich przeznaczeniem: 
	Makefile – plik kompilacji zarządzany ręcznie dla nanosprings.cpp i Point.cpp 
	Nanosprings.fig – wewnętrzne pliki GUI MATLAB 
	Nanosprings.m – kod GUI MATLAB 
	Point.cpp – definicja klasy Point (atomu) 
	Point.h – nagłówek klasy Point (atomu) 
	carve – samodzielny plik wykonywalny nanosprings 
	example.par – przykładowy plik parametrów 
	glasscube.inp – plik danych glasscube 
	nanosprings.cpp – główny kod nanosprings 
	nanosprings_diagram.jpg – przykładowy nanospring do wyświetlenia 
	nanospringsmex.cpp – nanosprings.cpp zintegrowany z MATLAB 
	nanospringsmex.mexglx – zintegrowany z MATLAB plik wykonywalny nanosprings 
	Uwaga: Użytkownik będzie musiał utworzyć plik wykonywalny „nanospringsmex.mexglx” dla konkretnej maszyny z systemem Linux (w tym przykładzie wersja 32-bitowa). Jeśli nie zostało to jeszcze zrobione, sprawdź dostęp do kompilatora „mex” w MATLAB, wpisując w wierszu poleceń „which mex” i weryfikując istnienie programu. Sprawdź również dostęp do programu MATLAB, wpisując w wierszu poleceń „which matlab”. Wpisanie w wierszu poleceń „mex nanospringsmex.cpp Point.cpp” utworzy zintegrowany z MATLAB plik wykonywalny NanospringCarver „nanospringsmex.mexglx”, zgodnie z poniższymi instrukcjami. Chociaż nie jest to wymagane dla interfejsu GUI, w razie potrzeby można utworzyć samodzielną wersję programu NanospringCarver, wpisując w wierszu poleceń „make”. Spowoduje to wspólne skompilowanie elementów programu nanosprings.cpp i Point.cpp w celu utworzenia pliku wykonywalnego „carve”. W niniejszym samouczku plik „glasscube.inp” zawiera informacje o położeniu 192 000 atomów krzemu i tlenu reprezentujących model szkła krzemianowego, gdzie każda linia zawiera identyfikator atomu, typ atomu oraz współrzędne x, y, z atomu. Pierwsza linia pliku to całkowita liczba atomów (192 000). Współrzędne atomowe w tym pliku są wartościami względnymi, które po pomnożeniu przez 0,716 reprezentowałyby odległości w nanometrach.</li>
	<li>Na pulpicie otwórz okno terminala. W wielu wersjach LINUX można to zrobić, naciskając jednocześnie klawisze „Ctrl”, „Alt” i „T”.</li>
	<li>Zmień katalog na folder, do którego wypakowano pliki projektu nanosprings, wpisując: 
	cd Documents/Nanosprings/</li>
	<li>Następnie uruchom polecenie kompilacji pliku binarnego dla systemu, wpisując: 
	mex nanospringsmex.cpp Point.cpp</li>
	<li>Następnie uruchom program MATLAB, wpisując matlab w wierszu poleceń</li>
</ol>
2. Modyfikacja i użytkowanie graficznego interfejsu użytkownika (GUI) programu NanospringCarver
Postępuj zgodnie z poniższymi krokami, korzystając z plików udostępnionych online26.
<ol>
	<li>Otwórz GUIDE w programie MATLAB, klikając ikonę GUIDE na górnym lewym pasku narzędzi (Rysunek 2), aby wyświetlić nowe okno z szybkim startem GUIDE (Rysunek 3).</li>
</ol>
<img alt="Interfejs MATLAB; edycja kodu, zarządzanie plikami; programowanie, analiza danych, obliczenia." fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Interfejs użytkownika MATLAB pokazujący sposób otwierania MATLAB GUIDE.
<img alt="Interfejs oprogramowania GUI, MATLAB GUIDE, tworzenie pustego GUI, konfiguracja interfejsu użytkownika, środowisko programistyczne." fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Inicjalizacja interfejsu MATLAB GUIDE.
<ol start="2">
	<li>Użyj karty „Open Existing GUI” (Rysunek 4), aby zmodyfikować istniejący rysunek. Kliknij przycisk „Browse”, aby wyszukać istniejący rysunek GUI do modyfikacji. Po wybraniu pliku rysunku (Nanosprings.fig, zob. niebieska ramka), kliknij „Open” w obu oknach, aby wyświetlić nowe okno z rysunkiem GUI. Zlokalizuj przyciski dostępne do tworzenia GUI w panelu lewym (Rysunek 5).</li>
</ol>
<img alt="Konfiguracja GUI MATLAB do ładowania pliku Nanosprings.fig, z naciskiem na nawigację po interfejsie i wybór pliku." fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący sposób otwierania istniejącego pliku figury GUI.
<img alt="Projekt GUI do modelowania nanospringów, pokazujący wprowadzanie parametrów, wybór modelu i konfigurację katalogu wyjściowego." fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący narzędzia do modyfikacji istniejącego okna GUI.
<ol start="3">
	<li>Aby uruchomić interfejs graficzny (GUI), kliknij „Run” w menu „Tools”. Następnie, gdy pojawi się okno wyskakujące z pytaniem o zapisanie rysunku przed uruchomieniem, kliknij „Yes”. W nowym oknie wyświetli się zmodyfikowany interfejs GUI.</li>
	<li>W razie potrzeby utwórz inny interfejs GUI dla innego konkretnego materiału, wykorzystując ten interfejs jako przykład.</li>
	<li>Aby skonfigurować przykładowe uruchomienie, najpierw kliknij przycisk „Select input model file” u góry interfejsu GUI i przejdź do pliku „glasscube.inp”. Wybierz ten plik i kliknij „Open”, aby zamknąć okno przeglądania. Wybrany plik wejściowy oraz ścieżka do niego powinny teraz pojawić się w oknie GUI po prawej stronie przycisku „Selected input model file” (Rysunek 6).</li>
</ol>
<img alt="Interfejs oprogramowania do projektowania nanosprężyn, schemat pokazujący parametry helisy (R, r, p) do modelowania." fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Zrzut ekranu z wykorzystania interfejsu graficznego (GUI) do stworzenia przykładowego modelu krzemionkowej nanosprężyny.
<ol start="6">
	<li>Następnie użyj przycisku „Browse” w sekcji „Output Model”, aby wyszukać i wybrać katalog, w którym zostanie zapisany model wyjściowy. Upewnij się, że katalog wyjściowy został aktywnie wybrany, aby umożliwić uruchomienie procesu, nawet jeśli w oknie po prawej stronie przycisku jest już wymieniony katalog wyjściowy. 
	Uwaga: Wartość „Advance Parameters Minimum Distance” (0.209311 na Rysunku 6) została obliczona specjalnie dla pliku wejściowego „glasscube.inp” dostarczonego w tym przykładzie i powinna pozostać bez zmian. Wartość ta może zostać obliczona w razie potrzeby przy pierwszym użyciu innego pliku wejściowego poprzez wprowadzenie wartości „0” w tym polu przed uruchomieniem modelu. W tym przykładzie wszystkie wartości parametrów podano w jednostkach względnych, aby dopasować je do wejściowego układu współrzędnych atomowych. Po pomnożeniu przez 0.716 wartości parametrów reprezentowałyby odległości w nanometrach.</li>
	<li>Uruchom przykład, korzystając z podanych parametrów sprężyn r = 1.0, R = 5.0, p = 1.5 oraz d = .209311, naciskając przycisk „Run” w interfejsie GUI. Śledź informacje zwrotne z przebiegu procesu w oknie poleceń programu MATLAB (Rysunek 7). W komunikatach zwrotnych sprawdź, czy parametry sprężyn zostały potwierdzone, czy plik danych wejściowych został pomyślnie odczytany oraz czy opisano wyniki zapisane w pliku wyjściowym o nazwie „model”.</li>
</ol>
<img alt="Okno poleceń MATLAB wyświetlające przechowywanie punktów danych, optymalizację delta-t i modelowanie nanospringów." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7: Informacje zwrotne w oknie poleceń MATLAB z uruchomienia programu Nanosprings w oparciu o interfejs graficzny (GUI).
Uwaga: W powyższym przykładzie plik „model” zawiera 5 176 atomów tworzących pożądaną sprężynę, po jednym w każdej linii, przy czym pierwsza linia określa całkowitą liczbę atomów w pliku. Każda linia definiująca atom zawiera identyfikator atomu, typ atomu oraz współrzędne x, y, z tego atomu.
<ol start="8">
	<li>Po sfinalizowaniu interfejsu GUI należy przeprowadzić kolejne uruchomienia, klikając prawym przyciskiem myszy na plik „Nanosprings.m” w oknie „Current Folder” programu MATLAB i wybierając opcję „Run”, aby bezpośrednio wywołać interfejs GUI. 
	Uwaga: W celu uzyskania dodatkowych informacji na temat MATLAB GUIDE oraz podstawowego interfejsu GUIDE zamieszczono różne referencje27-31.</li>
</ol>
3. Weryfikacja wyników NanospringCarver w wizualizatorze open-source19
Poniższe kroki zostały opracowane, aby umożliwić przeciętnemu użytkownikowi wizualizację i weryfikację modeli sprężyn wyjściowych stworzonych przez program NanospringCarver.
<ol>
	<li>Użyj interfejsu graficznego NanospringCarver w programie MATLAB zgodnie z powyższym opisem, aby wygenerować pliki wejściowe dla programu do wizualizacji19. Podczas uruchamiania programu do wizualizacji wybierz opcję wejścia „point coordinate file”, rozróżnij typy atomów za pomocą kolorów i zaznacz obramowanie siatki osi dla pola.</li>
	<li>Zmierz odległości w modelach sprężyn i dokonaj ich zapisu.</li>
	<li>Porównaj zmierzone dane z pożądanymi wymiarami sprężyn i zweryfikuj dokładność modelu sprężyny.</li>
</ol>
4. Wykorzystanie wyników z programu NanospringCarver w symulacjach rozciągania nanospringów metodą MD
Poniższe kroki zostały podsumowane dla ogólnego użytkownika w celu wykorzystania modeli sprężyn stworzonych przez program NanospringCarver jako danych wejściowych do konwencjonalnego otwartoźródłowego kodu MD32.
<ol>
	<li>Pobierz najnowszą wersję programu MD o otwartym kodzie źródłowym LAMMPS. W celu uzyskania podręczników i przykładów zapoznaj się z powiązaną dokumentacją online.</li>
	<li>Określ wymiary pożądanego modelu nanosprężyny, aby przygotować odpowiedni początkowy model objętościowy szkła krzemionkowego, zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami18.</li>
	<li>Utwórz pożądany model nanosprężyny za pomocą interfejsu graficznego NanospringCarver MATLAB GUI (patrz w Rozdziale 2 powyżej).</li>
	<li>Przeprowadź symulacje rozciągania pożądanej nanosprężyny poprzez rozciąganie modelu wzdłuż osi 11,13,23. Wygeneruj reprezentatywny film przedstawiający rozciąganie modelu nanosprężyny (patrz Rycina 8 poniżej oraz Animowana Rycina 1) w celu wizualizacji i analizy. Wyniki naukowe dotyczące zależności naprężenie-odkształcenie i sztywności kilku modeli nanosprężyn poddanych rozciąganiu zostały opisane w innym opracowaniu23.</li>
</ol>
<img alt="Trójwymiarowa struktura zwijania białek, symulacja biologii molekularnej, model wizualizacyjny." fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8: Zrzut ekranu nanosprężyny krzemionkowej podczas symulacji rozciągania (patrz również Animowany Rysunek 1).

<ol><li>Gao, P. X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+zinc+oxide+nanobelts+into+superlattice-structured+nanohelices%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices.</a> Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).</li>
<li>McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanosprings.</a> Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).</li>
<li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multilayered+Si%2FNi+nanosprings+and+their+magnetic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties.</a> Small. 3 (1), 153-160 (2007).</li>
<li>Cammarata, R. C., Sieradzki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+and+interface+stresses%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface and interface stresses.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).</li>
<li>Becker, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+nanosprings+in+spider+capture-silk+threads%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Molecular nanosprings in spider capture-silk threads.</a> Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).</li>
<li>Singh, J. P., Liu, D. -L., Ye, D. -X., Picu, R. C., Lu, T. -M., Wang, G. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal-coated+Si+springs%3A+nanoelectromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators.</a> Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).</li>
<li>Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanotopographical+imaging+using+a+heated+atomic+force+microscope+cantilever+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Sens.+Actuators+A-Phys%22%5BJournal%5D)">Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe.</a> Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).</li>
<li>Dobrokhotov, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ZnO+coated+nanospring-based+chemiresistors%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">ZnO coated nanospring-based chemiresistors.</a> J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).</li>
<li>Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSai%2C+VVR+%22Nanotechnology+2010%3A+Bio+Sensors%2C+Instruments%2C+Medical%2C+Environment+and+Energy%22">Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy</a>. , 19(2010).</li>
<li>Sai, V. V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+nanosprings+coated+with+noble+metal+nanoparticles%3A+highly+active+SERS+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Silica nanosprings coated with noble metal nanoparticles: highly active SERS substrates.</a> J. Phys. Chem. C. 115 (2), 453-459 (2010).</li>
<li>Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of nanosprings.</a> Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).</li>
<li>Zhang, G., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+characteristics+of+nanoscale+springs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Mechanical characteristics of nanoscale springs.</a> J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).</li>
<li>Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+amorphous+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of amorphous nanosprings.</a> Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).</li>
<li>Mohedas, I., Garcia, A. P., Buehler, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomechanics+of+biologically+inspired+helical+silica+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+N%3A+J.+Nanoengineering+and+Nanosystems%22%5BJournal%5D)">Nanomechanics of biologically inspired helical silica nanostructures.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: J. Nanoengineering and Nanosystems. 224 (3), 93-100 (2010).</li>
<li>Chang, I. L., Yeh, M. -S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+atomistic+study+of+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">An atomistic study of nanosprings.</a> J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).</li>
<li>Poggi, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+compression+of+a+carbon+nanospring%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Measuring the compression of a carbon nanospring.</a> Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).</li>
<li>Chen, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+a+carbon+nanocoil%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanics of a carbon nanocoil.</a> Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).</li>
<li>Dávila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li>
<li>Nick Gnedin’s Ionization FRont Interactive Tool (IFrIT) v. 3.2.8 - A general purpose visualization software [Internet]. , Nick Gnedin. Chicago, IL. Available from:
 
 <a target="_blank" href="https://sites.google.com/site/ifrithome/">https://sites.google.com/site/ifrithome/</a> (2013).</li>
<li>Accelrys Inc. Materials Studio Overview [Internet]. , U.S.A. Accelrys. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://accelrys.com/products/materials-studio">http://accelrys.com/products/materials-studio</a> (2013).</li>
<li>Silva, E. C. C. M., Tong, L., Yip, S., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size+effects+on+the+stiffness+of+silica+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Size effects on the stiffness of silica nanowires.</a> Small. 2 (2), 239-243 (2006).</li>
<li>Dávila, L. P., Leppert, V. J., Bringa, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanical+behavior+and+nanostructure+of+silica+nanowires+via+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Scripta+Mater%22%5BJournal%5D)">The mechanical behavior and nanostructure of silica nanowires via simulations.</a> Scripta Mater. 60 (10), 843-846 (2009).</li>
<li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+structure+and+properties+of+silica+glass+nanostructures+using+novel+computational+systems+%5B%5D%22">The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems [thesis]</a>. , University of California Merced. Merced, CA. 55-55 (2013).</li>
<li>MathWorks. MATLAB Overview [Internet]. , Mathworks. Massachusetts. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html">http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html</a> (2013).</li>
<li>Linux homepage [Internet]. , Linux. U.S.A.. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.linux.org">http://www.linux.org</a> (2013).</li>
<li>Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from:
 
 <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>Blinkdagger - An Engineering and MATLAB blog [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from:
 
 <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2014).</li>
<li>MathWorks. Introduction to MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/about-the-simple-guide-gui-example.html">http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/about-the-simple-guide-gui-example.html</a> (2014).</li>
<li>MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html">http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html</a> (2013).</li>
<li>MathWorks. Lay out the simple GUI in MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/lay-out-the-simple-gui-in-guide.html">http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/lay-out-the-simple-gui-in-guide.html</a> (2013).</li>
<li>MathWorks. Add components to the MATLAB GUIDE layout area [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html">http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html</a> (2013).</li>
<li>LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code [Internet]. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://lammps.sandia.gov">http://lammps.sandia.gov</a> (2013).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Modyfikacja pierwotnego podejścia do tworzenia struktur nanohelistycznych doprowadziła do opracowania dwóch odrębnych kodów, które umożliwiły tworzenie zarówno nanowstążek, jak i nanosprężyn z początkowego modelu MD ze szkła krzemionkowego. Weryfikację modeli nanowstążek krzemionkowych i nanosprężyn przeprowadzono przy użyciu różnych pakietów oprogramowania19-20, które potwierdziły ich dokładność wymiarową w ramach możliwości pomiarowych programów. Porównano również nanosprężyny i nanowstążki Wykonane poprzez ...

A correction was made to <a href="/video/51372">Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization</a>. Online article is missing its 29th author reference.
The reference section has added:
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).

A correction was made to <a href="/video/51372">Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization</a>. Online article is missing its 29th author reference.

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

Helikalne nanostruktury są zazwyczaj wytwarzane w laboratorium przy użyciu technik chemicznego osadzania z fazy gazowej1-2, choć w literaturze opisano również nowe podejścia3. W szczególności badano nanospressory i nanowstążki ze względu na ich odrębne właściwości oraz obiecujące zastosowania w czujnikach, optyce, a także w urządzeniach elektromechanicznych i fluidycznych4-7. Opisano metody syntezy pozwalające na otrzymanie nanowstążek krzemionkowych (SiO2), co czyni te struktury potencjalnymi jednostkami budulcowymi dla systemów hierarchicznych. Nowatorska synteza trójwymiarowych nanospressorów krzemionkowych rozszerzyła zakres ich zastosowań na chemirezystory po pokryciu ich ZnO8 lub nanocząstkami w zastosowaniach diagnostycznych9-10.
Badania eksperymentalne nad właściwościami mechanicznymi krzemionkowych nanosprężyn i nanowstążek są rzadkie, co wynika przede wszystkim z obecnych ograniczeń w metodach i sprzęcie manipulacyjnych oraz pomiarowych. Badania nad nanomechaniką nanostruktur i nanosprężyn były raportowane z wykorzystaniem teorii i symulacji11-14. Niektóre symulacje13 koncentrowały się na nanomechanicznym zachowaniu amorficznych nanosprężyn, ponieważ pozwalają one badać zakresy nie w pełni dostępne drogą eksperymentalną. W literaturze opisano atomistyczne badania metalicznych nanosprężyn w celu zbadania zależności właściwości sprężystych od rozmiaru15, a w ostatnim czasie nanomechanikę helikalnych krystalicznych nanostruktur krzemionkowych14. Testy eksperymentalne struktur nanosprężyn przeprowadzano również na różnych materiałach, takich jak helikalne nanostruktury węglowe i węglowe nanocewki16-17. Pomimo zebranej do tej pory wiedzy, do przyszłych prac nad wytwarzaniem nanourządzeń niezbędne jest pełniejsze zrozumienie właściwości mechanicznych tych nowatorskich nanostruktur.
Ponieważ badania MD nanohelis z krzemionki amorficznej (krzemionki niekrystalicznej) są wciąż dość ograniczone, modelowanie atomistyczne takich struktur wymaga stworzenia spersonalizowanych kodów. W wyniku ostatnich przeglądów literatury nie zidentyfikowano żadnych innych alternatywnych metod tworzenia helikalnych modeli MD krzemionki amorficznej. W niniejszej pracy, w celu przyszłych wielkoskalowych nanomechanicznych symulacji MD, zastosowano podejście oddolne do modelowania atomistycznego helikalnych nanostruktur z krzemionki amorficznej, w tym nanosprężyn i nanowstęg. Ogólne podejście obejmuje stworzenie „masowego” modelu MD krzemionki amorficznej, zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami18, a następnie wycinanie z tej „masowej” próbki różnych nanostruktur helikalnych za pomocą dwóch opracowanych do tego celu niezawodnych i adaptowalnych kodów komputerowych. Obie procedury obliczeniowe oferują odmienne sposoby tworzenia modeli nanowstęg i nanosprężyn z dużą wydajnością i szczegółowością atomistyczną; struktury te nadają się do wielkoskalowych symulacji atomistycznych. Dodatkowo wykorzystano spersonalizowany graficzny interfejs użytkownika, aby ułatwić tworzenie i wizualizację struktur helikalnych.
Struktura modelu „masywnego” szkła krzemionkowego jest początkowo tworzona w temperaturze pokojowej. W tym celu przeprowadzono wielkoskalowe symulacje MD, wykorzystując potencjał międzyatomowy Garofalinius zgodnie z wcześniejszymi badaniami18, który jest stosunkowo wydajny obliczeniowo i odpowiedni dla dużych układów. Początkowa struktura „masywnego” szkła krzemionkowego składa się z modelu sześcianu (14,3 x 14,3 x 14,3 nm3) zawierającego 192 000 atomów. Model „masywnego” szkła krzemionkowego poddano ekwilibracji w temperaturze 300 K przez 0,5 nsec w celu uzyskania stanu początkowego, stosując periodyczne warunki brzegowe.
Zaprojektowano i wykorzystano dwie procedury obliczeniowe w celu stworzenia atomistycznych modeli nanowstęg i nanospirali krzemionkowych. Pierwsza metoda polega na wycinaniu nanowstęg krzemionkowych ze struktury „masowej” (bulk) przy użyciu równań parametrycznych definiujących helisę oraz jej geometrię (skok, promień helisy i promień drutu). Procedura ta obejmuje wykorzystanie języka programowania AWK, systemu operacyjnego LINUX oraz oprogramowania do wizualizacji typu open-source19. Ogólna iteracyjna procedura tworzenia atomistycznych modeli nanowstęg obejmuje: (1) wybór atomu w masowym modelu szkła krzemionkowego, (2) obliczenie odległości od wybranego atomu do punktu w przestrzeni na zdefiniowanej funkcji helikalnej, (3) porównanie tej odległości z promieniem pożądanej nanowstęgi oraz (4) odrzucenie lub zachowanie atomu w wyjściowym modelu danych. Szczegółowy opis krok po kroku dla tej metody znajduje się w materiale dodatkowym Scalable Open-Source Codes Supplemental Material. Przy użyciu tej metody stworzono kilka nanowstęg krzemionkowych o różnych wartościach skoku, promienia helisy i promienia nanowstęgi, a następnie zmierzono ich dokładność w odniesieniu do pożądanych wartości wymiarowych za pomocą oprogramowania do analizy molekularnej i wizualizacji19-20. Wygenerowano atomistyczne modele nanowstęg krzemionkowych o geometriach funkcjonalnych (wysokie wartości skoku i niskie wartości promienia nanowstęgi). Przy nadzwyczaj wysokich wartościach promienia nanowstęgi i ekstremalnie niskich wartościach skoku zaobserwowano pewne artefakty, polegające na błędnym wykluczeniu atomów, co prowadziło do mniejszej gładkości powierzchni nanowstęgi. Podobne metody stosowano w procesie tworzenia nanodrutów krzemionkowych21-23.
Druga zaprezentowana tutaj metoda polega na wycinaniu krzemionkowych nanosprężyn ze struktury krzemionki „masowej” poprzez zastosowanie metod wstępnego przesiewania w celu zwiększenia wydajności, oprócz zastosowania równań matematycznych dla helisy. Procedura ta wymagała stworzenia bardziej odpornego kodu w języku C++, aby zapewnić większą elastyczność w modelowaniu tych helikalnych nanostruktur. Iteracyjna metoda tworzenia modeli atomistycznych nanosprężyn obejmuje: (1) odrzucenie wszystkich atomów, które z pewnością znajdują się poza ścieżką helikalną, (2) deterministyczny wybór punktu na ścieżce helikalnej, (3) porównanie wszystkich atomów w określonej odległości od tego wybranego punktu oraz (4) odrzucenie lub zapisanie każdego atomu w modelu danych wyjściowych. Szczegółowy opis krok po kroku dla tej metody zawarto również w materiałach uzupełniających Scalable Open-Source Codes. Dzięki tej metodzie uzyskano kilka modeli krzemionkowych nanosprężyn o różnych wymiarach (promień drutu, promień helisy i skok nanosprężyny), jak pokazano na Rysunku 1. Metoda ta pozwoliła na wydajne uzyskanie wysoce precyzyjnych modeli krzemionkowych nanosprężyn, przy czym nie stwierdzono obecności artefaktów dla skrajnych (niskich i wysokich) wartości skoku nanosprężyny. Tworzenie i użytkowanie graficznego interfejsu użytkownika dla tej metody opisano w sekcji Protokół.
<img alt="Struktura helikalna z oznaczeniami promienia i skoku, schemat do analizy modelowania molekularnego." fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig1highres.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Ogólna struktura helikalna z zaznaczonymi charakterystycznymi wymiarami, gdzie r, R i p reprezentują odpowiednio promień drutu, promień helisy oraz skok. H oznacza całkowitą wysokość struktury helikalnej23.
Niniejszy protokół opisuje sposób przygotowania plików NanospringCarver poprzez uruchomienie oprogramowania MATLAB24 na komputerze PC z systemem LINUX25 oraz wykorzystanie graficznego interfejsu użytkownika do opracowania atomistycznych modeli nanospringów. Te wcześniej niedostępne modele stanowią podstawę dla nowatorskich symulacji dynamiki molekularnej (MD)23 w badaniach nad innowacjami materiałowymi.
Ogólna procedura krok po kroku tworzenia atomistycznych modeli nanosprężyn obejmuje wykorzystanie następujących elementów: (a) kodu NanospringCarver (v. 0.5 beta) (otwarte oprogramowanie w języku C++), (b) modelu litego szkła krzemionkowego (plik wejściowy), (c) interfejsu graficznego MATLAB GUI i powiązanych plików oraz (d) oprogramowania MATLAB (wersja 7) z lokalną licencją na komputerze z systemem LINUX. Elementy (a)-(c) wymienione powyżej (kod NanospringCarver, model szkła krzemionkowego, pliki MATLAB GUI) są dostępne do bezpłatnego pobrania online26. MATLAB (Matrix Laboratory) to język wysokiego poziomu do obliczeń numerycznych, wizualizacji i tworzenia aplikacji opracowany przez MathWorks24, stosowany głównie do wizualizacji i analizy danych, przetwarzania obrazów oraz biologii obliczeniowej.

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie do obliczeń numerycznych MATLAB</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>Zobacz Wprowadzenie i odniesienie do protokołu [24]</td></tr><tr><td>Kod i pliki programu NanospringCarver</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Patrz Sekcja 1 protokołu (Krok 1.2) i Odniesienie [26]</td></tr><tr><td>Pliki MATLAB GUI</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Patrz Sekcja protokołu 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26]</td></tr><tr><td>Plik wejściowy szkła atomistycznego</td><td>UC Merced - open source</td><td><a href="http:// tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td><td>Patrz Protokół Sekcja 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26]</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do wizualizacji IFrIT</td><td>Oprogramowanie Open source</td><td><a href="http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/</a></td><td>Patrz Rozdział 3 protokołu i Odniesienie [19]</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do dynamiki molekularnej LAMMPS</td><td>Oprogramowanie</td> <td>open source<a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/</a></td><td>Patrz Protokół Sekcja 4 i Odniesienie [32]</td></tr></tbody></table>

skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3d

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Materiały podobne do sprężyn są wszechobecne w przyrodzie i są przedmiotem zainteresowania nanotechnologii do pozyskiwania energii, magazynowania wodoru i zastosowań w czujnikach biologicznych. Dla symulacji predykcyjnych coraz ważniejsza staje się możliwość dokładnego modelowania struktury nanohelis. Aby zbadać wpływ lokalnej struktury na właściwości tych złożonych geometrii, należy opracować realistyczne modele. Do tej pory, Pakiety oprogramowania są raczej ograniczone w tworzeniu atomistycznych modeli spiralnych. Prace te koncentrują się na wytwarzaniu atomistycznych modeli nanowstążek i nanosprężyn ze szkła krzemionkowego (SiO2) do symulacji dynamiki molekularnej (MD). Korzystając z modelu MD "masowego" szkła krzemionkowego, przedstawiono dwie procedury obliczeniowe do precyzyjnego tworzenia kształtu nanowstążek i nanosprężyn. Pierwsza metoda wykorzystuje język programowania AWK i oprogramowanie typu open source, aby skutecznie rzeźbić różne kształty nanowstążek krzemionkowych z początkowego modelu masowego, używając żądanych wymiarów i równań parametrycznych do zdefiniowania helisy. Dzięki tej metodzie, Dokładne atomistyczne nanowstęgi krzemionkowe mogą być generowane dla różnych wartości podziałki i wymiarów. Druga metoda obejmuje bardziej niezawodny kod, który pozwala na elastyczność w modelowaniu struktur nanohelikalnych. Podejście to wykorzystuje kod C++ napisany specjalnie do implementacji metod wstępnej selekcji, a także równań matematycznych dla helisy, co skutkuje większą precyzją i wydajnością podczas tworzenia modeli nanosprężyn. Korzystając z tych kodów, Można skutecznie tworzyć dobrze zdefiniowane i skalowalne nanowstążki i nanosprężyny nadające się do symulacji atomistycznych. Wartością dodaną w obu kodach open source jest to, że można je dostosować do odtwarzania różnych struktur spiralnych, niezależnie od materiału. Ponadto graficzny interfejs użytkownika (GUI) MATLAB jest używany do usprawnienia uczenia się poprzez wizualizację i interakcję dla zwykłego użytkownika z atomistycznymi strukturami spiralnymi. Jednym z zastosowań tych metod jest niedawne badanie nanohelis za pomocą symulacji MD do celów pozyskiwania energii mechanicznej.

Atomistyczne modele nanowstążek stworzone za pomocą pierwszej procedury obliczeniowej (kod nanoribbons) oraz ich powiązane wymiary przedstawiono na Rysunku 9. Wynikowe modele nanosprężyn opracowane przy użyciu drugiej procedury obliczeniowej (kod nanosprings) wraz z powiązanymi wymiarami przedstawiono na Rysunku 10.
<img alt="Wzory ruchu cząsteczek, schemat z sześcioma odrębnymi kształtami ścieżek, ilustrujący dynamiczne t...

Dokładne modelowanie struktur nanohelisowych jest ważne dla predykcyjnych badań symulacyjnych prowadzących do nowatorskich zastosowań nanotechnologii. Obecnie pakiety oprogramowania i kody są ograniczone w tworzeniu atomistycznych modeli spiralnych. Prezentujemy dwie procedury przeznaczone do tworzenia atomistycznych modeli nanohelisowych do symulacji, oraz interfejs graficzny do usprawnienia badań poprzez wizualizację.

Skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3D

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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest stworzenie atomistycznych modeli helikalnych nanosprężyn i nanowstążek przy użyciu otwartoźródłowego kodu do dynamiki molekularnej lub symulacji MD. W tym filmie opisano sposób przygotowania modeli nanosprężyn z krzemionkowego szkła, zaczynając od przygotowania odpowiedniego atomistycznego pliku wejściowego dla krzemionki objętościowej, wraz z otwartoźródłowymi plikami programu nano springing carver. Drugim krokiem jest uruchomienie programu MATLAB na komputerze z systemem Linux i skorzystanie z graficznego interfejsu użytkownika programu nano springing carver w celu wygenerowania pożądanego modelu nanosprężyny.Następnie wyniki działania narzędzia nanos springing carver są weryfikowane w wizualizatorze open source. Ostatnim krokiem jest wykorzystanie wyników w symulacjach MD rozciągania sprężyn. W rezultacie możliwe jest efektywne generowanie różnorodnych, dobrze zdefiniowanych i skalowalnych nanowycheloidalnych modeli do symulacji MD w badaniach nad innowacjami materiałowymi.Pomysł wykorzystania tej metody pojawił się po raz pierwszy, gdy przeprowadzałem symulacje dynamiki molekularnej nanostruktur, takich jak nanodruty i inne. Jak zapewne wiadomo, materiały o strukturze sprężynowatej występują w naturze bardzo powszechnie, dlatego istotne jest badanie takich geometrii, zwłaszcza w symulacjach dotyczących zastosowań w zakresie pozyskiwania energii, magazynowania wodoru, biosensorów i innych obszarów. Obecnie na rynku dostępne są komercyjne pakiety oraz kody programistyczne.Są one jednak dość ograniczone pod względem rodzajów geometrii, które można stworzyć. W związku z tym optymistyczne modele helikalne nie są łatwe do zrealizowania. Mamy nadzieję, że tego typu wysiłki pomogą w przyszłych badaniach. Procedurę tę zademonstruje Max Larner, doktorant w moim laboratorium.Pliki użyte w tym filmie są dostępne online na stronie internetowej grupy Davila. Adres URL znajduje się w protokole tekstowym towarzyszącym temu filmowi. Aby rozpocząć, pobierz z repozytorium sieciowego archiwum plików nano springs dot tar dot gz.Zlokalizuj pobrane archiwum i przenieś je do preferowanego katalogu roboczego, na przykład Documents/Nanos Springs. Kliknij prawym przyciskiem myszy plik nano springs tar dot gz i wybierz opcję wypakuj tutaj.Z menu kontekstowego prawego przycisku myszy sprawdź, czy wszystkie wymagane pliki znajdują się w bieżącym katalogu. Listę tych plików oraz ich przeznaczenie na pulpicie znajdziesz w protokole tekstowym. Otwórz okno terminala i zmień katalog na folder, do którego wypakowano pliki projektu Nano Springs.Następnie wykonaj polecenie kompilacji pliku binarnego dla systemu, wpisując me Nano Springs, me CPP Point cpp. Potem uruchom program MATLAB, wpisując MATLAB w wierszu poleceń, korzystając z plików udostępnionych online. Otwórz przewodnik w programie MATLAB, klikając ikonę przewodnika na górnym lewym pasku narzędzi.Aby wyświetlić nowe okno z szybkim startem przewodnika. Użyj otwartej istniejącej karty gooey, aby zmodyfikować istniejący wykres. Kliknij przycisk przeglądaj, aby wyszukać istniejący wykres gooey, który ma zostać zmodyfikowany.Po wybraniu pliku z rysunkiem kliknij otwórz w obu oknach, aby wyświetlić nowe okno z interfejsem graficznym (GUI) rysunku; aby uruchomić interfejs, wybierz uruchom w menu narzędzia. Gdy pojawi się okno pop-up z pytaniem, czy zapisać rysunek przed uruchomieniem, wyświetli się nowe okno z zmodyfikowanym interfejsem. Aby skonfigurować pierwsze przykładowe uruchomienie, kliknij przycisk wybierz plik modelu wejściowego w górnej części interfejsu i przejdź do pliku IP sześcianu szklanego.Po wybraniu pliku wejściowego, ścieżka do niego powinna pojawić się w oknie interfejsu graficznego po prawej stronie przycisku wyboru pliku modelu wejściowego. Następnie przejdź do sekcji modelu wyjściowego i użyj przycisku przeglądaj, aby znaleźć i wybrać katalog do zapisania modelu wyjściowego. Uruchom przykład z podanymi parametrami sprężyny, naciskając przycisk uruchom w interfejsie graficznym.W oknie informacji zwrotnej programu MATLAB należy zweryfikować liczbę atomów wejściowych wybranych dla modelu sprężyny oraz parametry modelu sprężyny. Po sfinalizowaniu interfejsu GUI należy przeprowadzić kolejne uruchomienia, klikając prawym przyciskiem myszy plik nano springs dot M w oknie folderu bieżącego programu MATLAB i wybierając opcję run. Pozwala to bezpośrednio wywołać interfejs GUI w celu wizualizacji i weryfikacji wynikowych modeli sprężyn utworzonych przez nano springing carver.Użyj interfejsu graficznego MATLAB nano springing carver do wygenerowania plików, analogicznie jak poprzednio, w celu wprowadzenia ich do programu do wizualizacji. Zmierz odległości w modelach sprężyn i sporządź ich zapis. Porównaj zmierzone dane z pożądanymi wymiarami sprężyn i zweryfikuj dokładność modeli, aby móc wykorzystać modele sprężyn utworzone przez nano springing carver jako dane wejściowe dla konwencjonalnego, otwartoźródłowego kodu dynamiki molekularnej.W pierwszej kolejności pobierz najnowszą wersję programu do dynamiki molekularnej o otwartym kodzie źródłowym LAMMPS. Określ wymiary pożądanego modelu nano-sprężyny, aby przygotować odpowiedni wstępny model objętościowy szkła krzemianowego. Następnie utwórz pożądany model nano-sprężyny, korzystając z interfejsu graficznego (GUI) nano springing carver w programie MATLAB.Podobnie jak poprzednio, należy przeprowadzić symulacje rozciągania wybranej nanospirali poprzez rozciągnięcie modelu. W celu wizualizacji i analizy należy przygotować reprezentatywne nagranie wideo przedstawiające rozciąganie modelu nanospirali wzdłuż jego osi. Metody obliczeniowe przedstawione w niniejszej procedurze umożliwiają tworzenie nanospiral i nanowstęg krzemionkowych odpowiednich do symulacji atomistycznych.Przedstawiono tutaj model atomistyczny nanowstążki krzemowej o promieniu nanowstążki 1,07 nanometra, promieniu helisy 5,37 nanometra i skoku 7,16 nanometra. Migawki ilustrują odmienne widoki nanostruktury. Rysunek ten przedstawia różne widoki modelu atomistycznego krzemowej nanospirali o promieniu drutu 1,07 nanometra, promieniu helisy 4,29 nanometra i skoku 4,29 nanometra.Po obejrzeniu tego filmu widzowie powinni być w stanie stworzyć helikalne nanosprężyny, korzystając z opracowanego przez nas otwartoźródłowego kodu przeznaczonego do przyszłych symulacji dynamiki molekularnej. Podsumowując, metody zaprezentowane w tym filmie ułatwią każdemu badanie nanolizy za pomocą symulacji, co w konsekwencji umożliwi prowadzenie badań obejmujących projektowanie nanourządzeń.

scalable-nanohelices-for-predictive-studies-enhanced-3d

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Skalowalne nanohelices do badań predykcyjnych i ulepszonych 3D wizualizacji

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Szczegóły protokołu są dostępne dla in vitro znakowania ludzkich embrionalnych komórek macierzystych za pomocą nanocząsteczek generujących drugą harmoniczną. Przedstawiono również metodyki badania hESC za pomocą mikroskopii wielofotonowej i ich różnicowania w klastry sercowe.

Nanocząstki harmoniczne w badaniach regeneracyjnych

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Ten artykuł przedstawia protokół do przetwarzania obrazów cryo-EM za pomocą pakietu oprogramowania SPHIRE. Obecny protokół może być stosowany do prawie wszystkich projektów EM pojedynczych cząstek, które są ukierunkowane na rozdzielczość bliską atomowi.

Analiza pojedynczych cząstek w wysokiej rozdzielczości na podstawie obrazów kriomikroskopii elektronowej przy użyciu SPHIRE

W szerokim zakresie wskazań chorobowych, bardziej fizjologicznie istotne modele są opracowywane i wdrażane do programów odkrywania leków. Opisany tutaj nowy system modelowy pokazuje, w jaki sposób trójwymiarowe sferoidy nowotworowe mogą być hodowane i badane przesiewowo w wysokowydajnym systemie opartym na płytkach 1536-dołkowych w celu poszukiwania nowych leków onkologicznych.

Generowanie wysokoprzepustowych trójwymiarowych sferoid nowotworowych do badań przesiewowych leków

Opisujemy metodę konstruowania urządzeń do hodowli 3D i eksperymentowania z komórkami i organoidami wielokomórkowymi. Urządzenie to umożliwia analizę odpowiedzi komórkowych na sygnały rozpuszczalne w mikrośrodowiskach 3D ze zdefiniowanymi gradientami chemoatraktantu. Organoidy są lepsze niż pojedyncze komórki w wykrywaniu słabych hałaśliwych sygnałów.

Analiza 3D wielokomórkowych odpowiedzi na gradienty chemoatraktantu

Obrazowanie klinicznych próbek tkanek w nanoskali może pomóc lepiej zrozumieć patogenezę choroby. Patologia ekspansji (ExPath) to wersja mikroskopii ekspansyjnej (ExM), zmodyfikowana pod kątem kompatybilności ze standardowymi klinicznymi próbkami tkanek, w celu zbadania konfiguracji biomolekuł w nanoskali przy użyciu konwencjonalnych mikroskopów o ograniczonej dyfrakcji.

Obrazowanie nanoskopowe skrawków tkanek ludzkich poprzez ekspansję fizyczną i izotropową

Ten protokół szczegółowo opisuje metodę produkcji trzech różnych typów sferoidów w sposób, który czyni je odpowiednimi do badań przesiewowych i analiz na dużą skalę o wysokiej zawartości. Ponadto przedstawiono przykłady pokazujące, w jaki sposób można je analizować na poziomie sferoidalnym i poszczególnych komórek.

Niezawodna metoda produkcji sferoid na dużą skalę do zastosowań związanych z przesiewaniem i analizą o wysokiej zawartości

Obecny protokół opisuje eksperymentalną platformę do oceny wpływu sygnałów mechanicznych i biochemicznych na reakcje chemoterapeutyczne komórek glejaka pochodzących od pacjenta w hodowlach 3D matrix-mimetic przy użyciu specjalnie zaprojektowanego urządzenia do oświetlania UV, umożliwiającego wysokoprzepustowe fotosieciowanie hydrożeli o regulowanych cechach mechanicznych.

Matryce hydrożelowe umożliwiają zwiększenie przepustowości w celu badania przesiewowego efektów komponentów matrycy i środków terapeutycznych w modelach 3D nowotworów

Ten protokół opisuje szczegółowo, jak zbudować jednoobiektywowy, światło-arkuszowy mikroskop fluorescencyjny i jego zastosowanie do wizualizacji sieci cytoszkieletów.

Zaprojektowanie i zbudowanie konfigurowalnego, jednoobiektywowego, arkuszowego mikroskopu fluorescencyjnego do wizualizacji sieci cytoszkieletów

Poznaj metody tworzenia atomistycznych modeli nanohelis i nanowstęg przy użyciu otwartego oprogramowania do symulacji dynamiki molekularnej. Techniki te umożliwiają zaawansowane wizualizacje 3D i innowacyjne badania materiałowe.

Skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3D

Przeglądaj więcej filmów