Artigo de método

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

DOI:

10.3791/51372

⸱

12 de novembro de 2014

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1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced, 2Computer Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced

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Resumo

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

Resumo

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

Introdução

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Nanoestruturas helicoidais são tipicamente produzidos em laboratório, utilizando técnicas de deposição química de vapor de 1-2, enquanto que as novas abordagens têm sido relatados na literatura 3. Em particular nanomolas e nanofitas têm sido estudados devido às suas propriedades distintas e aplicações promissoras em sensores, óptica, e eletromecânicos e dispositivos fluídicos 4-7. Métodos de síntese têm sido relatados para a produção de sílica (SiO2) nanoribbons, tornando essas estruturas potenciais unidades de bloco de construção para sistemas hierárquicos. Síntese Novel de nanomolas sílica 3D ampliou suas aplicações para chemiresistors quando revestido com ZnO 8 ou nanopartículas para aplicações de diagnóstico 10/09.

Estudos experimentais sobre as propriedades mecânicas de nanomolas sílica e nanofitas são escassos, principalmente devido às limitações atuais de manipulação e métodos de ensaio e equipamnt. As investigações sobre os nanomecânica de nanoestruturas e nanomolas foram relatados usando a teoria e simulações 11-14. Algumas simulações 13 têm-se centrado no comportamento nanomechanical de nanomolas amorfos, pois eles podem explorar regimes não totalmente acessíveis através da experimentação. Estudos atomística da nanomolas metálicos têm sido relatados na literatura para investigar a dependência tamanho das propriedades elásticas 15, e mais recentemente os nanomecânica de nanoestruturas de sílica cristalina helicoidal 14. Teste experimental de estruturas nanospring também foi realizada em diferentes materiais tais como nanoestruturas de carbono e helicoidais nanocoils carbono 16-17. Apesar do conhecimento até agora reunido, é necessária uma compreensão mais completa das propriedades mecânicas destes novos nanoestruturas para futuros esforços de fabricação nanodevice.

Como os estudos de MD g de sílicalass (sílica não-cristalina) nanoespirais ainda são bastante limitadas, a modelagem atomística de tais estruturas requer a criação de códigos personalizados. Não há outros métodos alternativos de criação de vidro de sílica modelos MD helicoidais foram identificados até agora sobre a pesquisa na literatura recente. Neste trabalho, uma abordagem bottom-up para a modelagem atomística de nanoestruturas de vidro de sílica helicoidais incluindo nanomolas e nanofitas é perseguido para futuras simulações MD nanomecânicos grande escala. A abordagem geral envolve a criação de uma "massa" modelo de vidro de sílica MD conforme relatado anteriormente 18 anos, e conquistando várias nanoestruturas helicoidais a partir desta amostra "massa" através de dois códigos computacionais robustas e adaptáveis ​​desenvolvidos para este fim. Ambos os procedimentos computacionais oferecem uma maneira diferente para criar nanofita e nanospring modelos com grande eficiência e detalhes atomística; estas estruturas são adequadas para atomísticos simulações em grande escala.Além disso, uma interface gráfica de utilizador personalizado é usado para facilitar a criação e visualização das estruturas helicoidais.

A estrutura do modelo de vidro de sílica "a granel" é criado inicialmente à temperatura ambiente. Simulações de DM em larga escala são realizadas para este efeito usando o Garofalini interatómico potencial semelhante aos estudos anteriores 18, que é relativamente eficiente computacionalmente e adequado para grandes sistemas. A estrutura de "massa" de vidro de sílica inicial consiste em um modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm), que contém 192 mil átomos. O modelo de vidro de sílica "a granel" é equilibrada a 300 K durante 0,5 nseg obter o estado inicial usando condições de contorno periódicas.

Dois procedimentos computacionais são projetados e utilizados para criar modelos nanofita sílica e nanospring atomistas. O primeiro método envolve esculpir nanofitas de sílica a partir dea estrutura "a granel", usando as equações paramétricas que definem uma hélice, e sua geometria (pitch, raio da hélice, eo raio do fio). Esse procedimento inclui o uso da linguagem de programação AWK, o sistema operacional Linux e open-source software de visualização 19. O procedimento iterativo geral para criar modelos de atomísticos nanoribbons envolve: (1) selecção de um átomo no modelo de vidro de sílica "a granel", (2) calcular a distância a partir do átomo seleccionado a um ponto no espaço sobre uma função helicoidal pré-definido, (3) comparar esta distância para o raio do nanofita desejado, e (4) de se desfazer ou mantendo o átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição detalhada passo-a-passo para este método está incluído nos códigos Scalable Open-Source Suplementar Materiais. Com este método, vários nanofitas de sílica foram criados usando tom diferente, o raio de valores hélice e raio nanoribbon, que foram medidos posteriormentede precisão contra os valores dimensionais desejadas com análise molecular e software de visualização 19-20. Modelos atomistas de nanofitas de sílica foram gerados com geometrias funcionais (altos valores de arremesso e baixos valores de raio nanoribbon). Alguns artefactos, que consiste de átomos de excluídos por engano, o que leva a uma superfície nanofita menos suave, foram observados em excessivamente elevados valores de raio nanofita e valores extremamente baixos de passo. Métodos similares têm sido usadas no processo de criação de nanofios de sílica 21-23.

O segundo método aqui apresentado inclui esculpir nanomolas de sílica a partir da estrutura de sílica "a granel" pela aplicação de métodos de pré-rastreio para aumentar a eficiência em adição às equações matemáticas para uma hélice. Este procedimento necessário a criação de um código C ++ mais robusta para permitir uma maior flexibilidade na modelagem dessas nanoestruturas helicoidais. O método iterativo para criar atomismodelos de tic nanomolas inclui: (1) descartando todos os átomos garantidos para cair fora da trajetória helicoidal, (2) de forma determinística selecionar um ponto na trajetória helicoidal (3), comparando todos os átomos dentro de uma determinada distância a este ponto selecionado, e (4 ) descartar ou armazenar cada átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição passo-a-passo para este método também está incluído nas escaláveis ​​códigos Open-Source Suplementar material. Com este método, diversos modelos de sílica nanospring foram obtidos com dimensões variadas (raio fio, raio de hélice, e passo de nanospring) como mostrado na Figura 1. nanospring modelos de sílica altamente precisa foram obtidos de forma eficiente com este método, com nenhuma evidência de artefactos encontrados no extremo valores de pitch (alto e baixo) para o nanospring. A criação e utilização da interface gráfica de utilizador para este método é descrito na secção de Protocolo.

figure-introduction-1
Figura 1:. Uma estrutura helicoidal geral mostrando dimensões características, em que r, R e p representam o raio de arame, raio da hélice, e pitch respectivamente H indica a altura total da estrutura helicoidal 23.

Este protocolo descreve como preparar os arquivos NanospringCarver, correndo MATLAB 24 em um PC com Linux 25, e usar uma interface gráfica de usuário para preparar modelos nanospring atomistas. Estes modelos anteriormente indisponíveis servir de base para a dinâmica moleculares (MD) simulações de 23 para a pesquisa de materiais inovação.

O procedimento geral passo-a-passo para criar modelos nanospring atomísticos envolve o uso dos seguintes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (open-azedoce em linguagem C ++), (b) modelo de vidro de sílica a granel (arquivo de entrada), (c) MATLAB interface gráfica e os arquivos relacionados, e (d) o software MATLAB (versão 7) usando uma licença local em um PC com Linux. Os itens (a) - (c) acima (código NanospringCarver, modelo de vidro de sílica, arquivos MATLAB GUI) são livres para download on-line 26. MATLAB (Matrix Laboratory) é uma linguagem de alto nível para computação numérica, visualização e desenvolvimento de aplicações de MathWorks 24, que é usado principalmente para a visualização e análise de dados, processamento de imagem, e biologia computacional.

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Protocolo

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1. Preparando os arquivos NanospringCarver e iniciando MATLAB em um PC com Linux

Os passos seguintes são projetados para um usuário em geral para fazer uso dos arquivos fornecidos em linha 26.

  1. Descompacte o arquivo arquivo nanosprings.tar.gz para o "Home" ou outro diretório preferido.
    1. Baixe o arquivo de ficheiros nanosprings.tar.gz do repositório web 26.
    2. Localize o arquivo baixado e mova-o para um diretório de trabalho preferido intitulado "Documentos / nanomolas".
    3. Botão direito do mouse nanosprings.tar.gz e selecione "extrair aqui" no menu de contexto do botão direito.
  2. Verifique se todos os arquivos necessários estão presentes no diretório atual. A lista dos arquivos e suas finalidades seguintes:
    Makefile - gerenciado manualmente o arquivo de compilação para nanosprings.cpp e Point.cpp
    Nanospinternos rings.fig -MATLAB GUI
    Código Nanosprings.m -MATLAB GUI
    Point.cpp - Ponto (átomo) definição de classe
    Point.h - Ponto (átomo) cabeçalho de classe
    carve - autônomos nanomolas executável
    example.par - exemplo arquivo de parâmetro
    glasscube.inp - arquivo de dados glasscube
    nanosprings.cpp - Código nanomolas principal
    nanosprings_diagram.jpg - exemplo nanospring para exibição
    nanosprings.cpp MATLAB integrado - nanospringsmex.cpp
    nanospringsmex.mexglx - nanomolas MATLAB integrado executável
    Nota: O usuário precisará criar o arquivo executável "nanospringsmex.mexglx" para a máquina Linux em particular a ser utilizado (versão de 32 bits neste exemplo). Se isso ainda não foi feito, verificar o acesso ao compilador MATLAB "mex"digitando na linha de comando ", que mex" e verificar a existência do programa. Verifique também o acesso ao programa MATLAB, digitando na linha de comando ", que matlab". Usando uma linha de comando para digitar "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" irá criar o arquivo NanospringCarver MATLAB integrado executável "nanospringsmex.mexglx", como mostrado nas instruções abaixo. Embora não seja necessário para a interface GUI, se desejar uma versão stand-alone do programa NanospringCarver pode ser criada digitando "make" na linha de comando. Isso irá compilar o nanosprings.cpp e elementos do programa Point.cpp juntos para criar a "esculpir" arquivo executável. Neste tutorial, o "glasscube.inp" arquivo contém informações de posição para 192.000 silício e átomos de oxigênio representin ga modelo de vidro de sílica, com cada linha contendo um átomo de ID, o tipo do átomo, e x, y, z coordenadas para o átomo. A primeira linha do arquivo é a contagem átomo total (192.000). As coordenadas atômicas neste arquivo são valores relativos, que se multiplicado por 0,716 representaria distâncias nanométricas.
  3. Na área de trabalho, abra uma janela de terminal. Em muitas versões do Linux alcançar este objetivo, pressionando simultaneamente a tecla "Ctrl", "T" chaves "Alt" e.
  4. Altere o diretório para a pasta na qual os arquivos de projeto nanomolas foram extraídos por digitação:
    cd Documentos / nanomolas /
  5. Em seguida, execute o comando para compilar o binário para o sistema de digitação:
    mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. Em seguida iniciar MATLAB, digitando Matlab na linha de comando

2. Modificando e usando uma interface gráfica do usuário (GUI) para o Programa NanospringCarver

ove_content "> Siga os passos abaixo utilizando os arquivos fornecidos on-line 26.
  1. Abra o Guia no MATLAB, clicando no ícone GUIA, na área superior da barra de ferramentas à esquerda (Figura 2), para mostrar uma nova janela com o Guia de Início Rápido (Figura 3).

figure-protocol-1
Figura 2: interface de usuário MATLAB mostrando como abrir MATLAB GUIA.

figure-protocol-2
Figura 3: Interface GUIA MATLAB inicializando.

  1. Use a guia "Open GUI existente" (Figura 4) para modificar uma figura existente. Clique no botão "Procurar" para procurar o GUI existentea figura a ser modificado. Após selecionar o arquivo figura (Nanosprings.fig, ver caixa azul), clique em "Open" em ambas as janelas para exibir uma nova janela com a figura GUI. Localizar os botões disponível para ser utilizada para criação de GUI no painel esquerdo (Figura 5).

figure-protocol-3
Figura 4: Interface GUIA MATLAB mostrando como abrir um arquivo de figura GUI existente.

figure-protocol-4
Figura 5: Interface GUIA MATLAB mostrando ferramentas para modificar uma figura GUI existente.

  1. Para executar a interface gráfica, clique em "Executar" no âmbito do "Menu Ferramentas ". Em seguida, clique em "Sim" quando uma janela pop-up solicita que se deseja salvar a figura antes de executar. Uma nova janela exibe o GUI modificado.
  2. Se necessário, crie uma outra interface gráfica para um material específico diferente usando essa GUI como um exemplo.
  3. Para configurar o exemplo de execução, primeiro clique no botão "Selecionar arquivo de modelo de entrada" no topo da GUI e navegue até o arquivo "glasscube.inp". Selecione o arquivo e clique em "Abrir" para fechar a janela de navegação. O arquivo de entrada selecionada e caminho para ele agora deve aparecer na janela GUI para a direita do botão "Selected arquivo de modelo de entrada" (Figura 6).

figure-protocol-5
Figura 6: tela de usar GUI para criar um exemplo modelo nanospring sílica.

  1. Em seguida, use o botão "Browse" na seção "Output Model" para procurar e selecionar o diretório para salvar o modelo de produção em. Certifique-se de que o diretório de saída está ativamente selecionado para que a execução a ser ativado, mesmo que não haja um diretório de saída já listados na janela de acompanhamento para a direita deste botão.
    Nota: O valor de "Adiantamento Parâmetros Distância Mínima" listado (0.209311 na Figura 6) foi calculado especificamente para o "glasscube.inp" arquivo de entrada fornecido neste exemplo, e deve ser deixado como está. Este valor pode ser calculado como necessário na primeira utilização de um arquivo de entrada diferente, inserindo um valor de "0" neste local antes de executar o modelo. Neste exemplo, todos os valores dos parâmetros estão em unidades relativas de entrada para coincidir com o sistema de coordenadas atómica. Se multiplicado por 0,716 os valores dos parâmetros que representam distâncias nanométricas.
  2. Executar o exemplo utilizando os parâmetros indicados mola de r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5, d = 0,209311 e premindo o botão GUI "Execute". Ver classificação da corrida na janela do MATLAB Command (Figura 7). No retorno, verificar se os parâmetros de primavera são confirmadas, de que o arquivo de dados de entrada é lido com sucesso, e os resultados armazenados no arquivo de saída chamado "modelo" são descritos.

figure-protocol-6
Figura 7: retorno janela MATLAB Comando de corrida nanomolas baseado em GUI.

Nota: No exemplo acima, o "modelo" arquivo contém 5176 átomos que compõem a primavera desejado, um por linha, com a primeira linha, dando o número total de átomosno arquivo. Cada linha que define um átomo inclui o ID do átomo, tipo átomo, e x, y, z coordenadas do referido átomo.

  1. Uma vez que a interface gráfica é finalizado, realizar sucessivas corridas clicando com o botão direito em "Nanosprings.m" no MATLAB "pasta atual", e selecionando "Executar" para abrir a interface GUI diretamente.
    Nota: Várias referências estão listados 27-31 para obter informações adicionais sobre MATLAB GUIA ea interface básica GUIA.

3. Verificando NanospringCarver Resultados em um Visualizer Open-source 19

Os passos seguintes são projetados para um usuário comum de visualizar e verificar os modelos primavera saída criados por NanospringCarver.

  1. Use o MATLAB GUI NanospringCarver como descrito acima para gerar arquivos de entrada para o programa de visualização 19. Ao executar o programa de visualização, use o "ponto Coordincomeu arquivo "opção de entrada, distinguir os tipos de átomos por cor e selecione uma grade fronteira eixo para o campo.
  2. Medir distâncias nos modelos primavera e fazer um registro deles.
  3. Comparar dados medidos contra dimensões primavera desejados e verificar a precisão do modelo primavera.

4. Usando NanospringCarver Resultados em MD tração Simulações de nanomolas

Os passos seguintes são resumidas por um usuário geral para usar os modelos primavera criados por NanospringCarver como entrada para um código MD-fonte aberto convencional 32.

  1. Baixe a última versão do código-fonte aberto programa MD LAMMPS. Consulte a documentação on-line associada para manuais e exemplos.
  2. Determinar as dimensões do modelo de nanospring desejado, a fim de preparar o modelo inicial apropriado de vidro de sílica grandes quantidades, como relatado antes 18.
  3. Criar o modelo nanospring desejado usando o MATLAB GUI NanospringCarver (veja Séç ã o 2 acima).
  4. Realizar simulações de tração na nanospring desejado, esticando o modelo axial 11,13,23. Produzir um vídeo representativo de modelo nanospring sendo esticado (ver Figura 8, abaixo, e animado Figura 1) para visualização e análise. Os resultados científicos sobre o comportamento tensão-deformação e rigidez de vários modelos nanospring sob tensão têm sido relatados em outros lugares 23.

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Figura 8: Screenshot de um nanospring sílica durante a simulação de tração (ver também Animado Figura 1).

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Resultados

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Os modelos nanoribbon atomísticos criados com o primeiro procedimento computacional (código nanoribbons) e as suas dimensões associados são mostrados na Figura 9. Os modelos nanospring resultantes usando o segundo procedimento computacional (nanomolas código) e dimensões associados são mostrados na Figura 10.

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Discussão

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

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Divulgações

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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

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Os autores gostariam de agradecer a Tim Allis na UC Merced por sua ajuda neste projeto. O programa NSF-MOEDAS na UCM suportado (KAM) em uma parte inicial deste trabalho. Um prêmio NSF-BRIGE apoiado co-autores (BND e KAM), fornecendo fundos para esta obra e as despesas de viagem para conferências.

O grupo de pesquisa gostaria de agradecer principalmente a National Science Foundation para financiar este trabalho através de um prêmio BRIGE. Este material é baseado no trabalho apoiado pela National Science Foundation, Grant No. 1.032.653.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Software de computação numérica MATLABMathworkshttp://www.mathworks.com/products/matlab/description1.htmlConsulte a introdução e referência do protocolo [24]
Código e arquivos do programa NanospringCarverUC Merced - código abertohttp://tinyurl.com/qame8djConsulte a Seção 1 do Protocolo (Etapa 1.2) e a Referência [26]
Arquivos MATLAB GUIUC Merced - código abertohttp://tinyurl.com/qame8djConsulte a Seção 1 do Protocolo (Etapa 1.2) e Referência [26]
Arquivo de entrada de vidro em massa atomísticoUC Merced - código abertohttp://tinyurl.com/qame8djConsulte a Seção 1 do Protocolo (Etapa 1.2) e a Referência [26]
Software de visualização IFrITSoftware de código abertohttp://sites.google.com/site/ifrithome/Consulte a Seção 3 do Protocolo e a Referência [19]
Software de dinâmica molecular LAMMPSSoftwarede código abertohttp://lammps.sandia.gov/Consulte a Seção 4 e Referência do Protocolo [32]

Referências

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  27. Blinkdagger - An Engineering and MATLAB blog [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2014).
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  31. MathWorks. Add components to the MATLAB GUIDE layout area [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html (2013).
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Reimpressões e permissões

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Errata

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Formal Correction: Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

A correction was made to Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. Online article is missing its 29th author reference.

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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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