नैनोस्केल संरचनाओं का रीयल-टाइम विज़ुअलाइज़ेशन

कंप्यूटर चिप डिजाइनरों, सामग्री वैज्ञानिकों, जीवविज्ञानी, और अन्य वैज्ञानिकों की विज्ञान की दुनिया तक पहुंच पहले की तरह है। नैनोस्केल सामग्री 3डी विज़ुअलाइज़ेशन सॉफ़्टवेयर के लिए धन्यवाद जो सीधे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से जुड़ता है। यह शोधकर्ताओं को वास्तविक समय में नैनोमटेरियल्स के 3डी विज़ुअलाइज़ेशन को देखने और हेरफेर करने की अनुमति देता है।

मिशिगन विश्वविद्यालय के नेतृत्व में इंजीनियरों और सॉफ्टवेयर डेवलपर्स की एक टीम द्वारा विकसित, यह सुविधा टॉमविज़ के एक नए बीटा संस्करण में शामिल है, एक खुला स्रोत 3 डी डेटा विज़ुअलाइज़ेशन टूल जो पहले से ही हजारों शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किया जाता है। । नया संस्करण विज़ुअलाइज़ेशन प्रक्रिया को फिर से शुरू करता है, जिससे आप सूक्ष्म नमूनों से 3D विज़ुअलाइज़ेशन में दिनों के बजाय मिनटों में जा सकते हैं।

परिणाम तेजी से उत्पन्न करने के अलावा, नई क्षमताएं शोधकर्ताओं को चल रहे प्रयोगों के दौरान 3D विज़ुअलाइज़ेशन को देखने और उनके साथ बातचीत करने की अनुमति देती हैं। यह माइक्रोप्रोसेसर, इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी और हल्के पदार्थ जैसे क्षेत्रों में अनुसंधान में नाटकीय रूप से तेजी ला सकता है।

“उदाहरण के लिए, यह लंबे समय से एक अर्धचालक उद्योग का सपना रहा है कि एक दिन में टोमोग्राफी करने में सक्षम हो, लेकिन यहां हमने इसे एक घंटे से भी कम समय में घटा दिया है।” रॉबर्ट हॉब्डेन, यूएम में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर और नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित एक अध्ययन के संबंधित लेखक। “आप प्रयोग समाप्त होने से पहले विज्ञान की व्याख्या करना और करना शुरू कर सकते हैं।”

होवडेन के अनुसार, नया सॉफ्टवेयर सीधे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से डेटा लेता है और तुरंत परिणाम प्रदर्शित करता है। यह टॉमविज़ के पिछले संस्करणों से एक मूलभूत परिवर्तन है। अतीत में, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से डेटा एकत्र किया। एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप ने कई अलग-अलग कोणों से नैनोमटेरियल की सैकड़ों द्वि-आयामी प्रक्षेपण छवियों को कैप्चर किया।

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होवडेन और उनके सहयोगियों ने फिर अनुमानों को प्रयोगशाला में वापस ले लिया, व्याख्या की और उन्हें तैयार किया, और उन्हें टॉमविज़ भेज दिया। किसी ऑब्जेक्ट का 3D विज़ुअलाइज़ेशन उत्पन्न करने में घंटों लगते हैं। पूरी प्रक्रिया में कुछ दिनों से लेकर एक सप्ताह तक का समय लगता था, और इस प्रक्रिया में एक कदम पर समस्याओं का मतलब अक्सर फिर से शुरू करना होता था।

टॉमविज़ के नए संस्करण मक्खी पर सभी व्याख्या और प्रसंस्करण करते हैं। शोधकर्ताओं को मिनटों के भीतर गहरे लेकिन उपयोगी 3D रेंडरिंग मिलते हैं, धीरे-धीरे विस्तृत विज़ुअलाइज़ेशन में सुधार होता है।

“जब आप नैनोमटेरियल्स जैसी अदृश्य दुनिया में काम कर रहे होते हैं, तो आप कभी नहीं जानते कि जब तक आप इसे नहीं देखेंगे, तब तक आप क्या पाएंगे,” होवडेन कहते हैं। “इसलिए माइक्रोस्कोप को देखते हुए व्याख्या और समायोजन शुरू करने में सक्षम होने से शोध प्रक्रिया में बहुत फर्क पड़ता है।”

नई प्रक्रिया की तीव्र गति उद्योग में भी उपयोगी हो सकती है। उदाहरण के लिए, सेमीकंडक्टर चिप निर्माता नए चिप डिजाइनों पर परीक्षण करने के लिए टोमोग्राफी का उपयोग कर सकते हैं और 3 डी नैनोस्केल सर्किट में दोषों की तलाश कर सकते हैं जो देखने में बहुत छोटे हैं। अब तक, व्यावसायिक सुविधाओं में आवश्यक सैकड़ों परीक्षण करने के लिए टोमोग्राफी प्रक्रिया बहुत धीमी रही है, लेकिन होवडेन का मानना ​​​​है कि टॉमविज़ इसे बदल सकता है।

होवडेन ने जोर दिया कि टॉमविज़ मानक उपभोक्ता ग्रेड लैपटॉप पर चल सकता है। इसे पुराने और नए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से जोड़ा जा सकता है। और चूंकि यह खुला स्रोत है, इसलिए सॉफ्टवेयर स्वयं सभी के लिए सुलभ है।

“ओपन सोर्स सॉफ्टवेयर विश्व स्तर पर विज्ञान को बढ़ाने के लिए एक महान उपकरण है। हमने टॉमविज़ और माइक्रोस्कोप-एग्नोस्टिक माइक्रोस्कोप को माइक्रोस्कोप निर्माताओं से जोड़ा है,” उन्होंने कहा। “और सॉफ्टवेयर केवल माइक्रोस्कोप से डेटा देखता है, इसलिए इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि माइक्रोस्कोप यूएम का नवीनतम मॉडल है या 20 साल पुरानी मशीन।”

नई क्षमताओं को विकसित करने के लिए, यूएम टीम ने सॉफ्टवेयर डेवलपर किटवेयर के साथ दीर्घकालिक साझेदारी का लाभ उठाया, और डेटा विज्ञान, सामग्री विज्ञान और माइक्रोस्कोपी के चौराहे पर काम कर रहे वैज्ञानिकों की एक टीम को भी शामिल किया। प्रक्रिया की शुरुआत में, होवडेन ने टॉमविज़ के एक संस्करण के विचार को परिष्कृत करने के लिए ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में किटवेयर और मार्कस हनवेल के साथ काम किया जो वास्तविक समय के दृश्य और प्रयोग की अनुमति देगा।

होवडेन और किटवेयर डेवलपर्स ने फिर यूएम के ग्रेजुएट स्कूल ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग किया। जोनाथन श्वार्ट्जआर्गन नेशनल लेबोरेटरी के एक सूक्ष्मदर्शी यी जियांग और मशीन लर्निंग और सामग्री विज्ञान के विशेषज्ञ हुइहुओ झेंग ने एक एल्गोरिदम बनाया है जो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवियों को 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन में तेज़ी से और सटीक रूप से बदल सकता है।

एल्गोरिथम पूरा हो जाने के बाद, डेविड मुलर, कॉर्नेल विश्वविद्यालय में एप्लाइड और इंजीनियरिंग भौतिकी के प्रोफेसर, और बर्कले लैब में आणविक फाउंड्री के एक कर्मचारी वैज्ञानिक पीटर एरिकस ने होवडेन के साथ मिलकर एक उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस विकसित करने के लिए काम किया जो नई कार्यक्षमता का समर्थन करेगा। .

अंत में, होवडेन ने सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसरों के साथ मिलकर काम किया। निकोलस कोटोफअंडरग्रेजुएट डेटा साइंटिस्ट जैकब पिएट्रिगा, बायोइंटरफेस रिसर्च फेलो अनास्तासिया विशेराटिना, और केमिकल इंजीनियरिंग रिसर्च फेलो प्रशांत कुमार, सभी यूएम में, नैनोकणों को संश्लेषित करते हैं जिनका उपयोग नए कार्यों के वास्तविक-विश्व परीक्षण के लिए किया जा सकता है। और उनकी सटीकता सुनिश्चित करें और अपनी क्षमताओं का प्रदर्शन करें।

वे लगभग 100 नैनोमीटर चौड़े और 500 नैनोमीटर लंबे सर्पिल नैनोकणों पर बसे। टॉमविज़ के नए संस्करण ने योजना के अनुसार काम किया। मिनटों के भीतर, एक छवि तैयार की गई थी, जबकि छायादार, शोधकर्ताओं के लिए महत्वपूर्ण विवरणों को समझने के लिए पर्याप्त विस्तृत था जैसे कि नैनोकणों के मोड़, जिसे चिरलिटी के रूप में जाना जाता है। । लगभग 30 मिनट के बाद, छाया विस्तृत 3D विज़ुअलाइज़ेशन में विघटित हो गई।

टॉमविज़ के लिए नया बीटा स्रोत कोड है डाउनलोड तथा। होवडेन का मानना ​​है कि यह सामग्री से संबंधित अनुसंधान से परे क्षेत्रों में नई संभावनाएं खोलता है। जीव विज्ञान जैसे क्षेत्र भी रीयल-टाइम इलेक्ट्रॉनिक टोमोग्राफी तक पहुंच से लाभान्वित होने के लिए तैयार हैं। उन्हें यह भी उम्मीद है कि परियोजना का “विज्ञान के रूप में सॉफ्टवेयर” दृष्टिकोण विज्ञान और सॉफ्टवेयर विकास क्षेत्रों में नए नवाचारों को बढ़ावा देगा।

“हम कंप्यूटर विज्ञान, सामग्री विज्ञान, भौतिकी और रसायन विज्ञान के चौराहे पर अनुसंधान के लिए एक अंतःविषय दृष्टिकोण लेते हैं,” होवडेन ने कहा। “वास्तव में अच्छा एल्गोरिदम बनाना एक बात है जिसे केवल आप और आपके स्नातक छात्र ही उपयोग करना जानते हैं। यह एक और बात है अगर दुनिया भर में प्रयोगशालाएं इन अत्याधुनिक चीजों को कर सकती हैं।” यह एक कहानी है।

चटनी: मिशिगन यूनिवर्सिटी