Open source-software låser op for 3D-visning af nanomaterialer

Nu er det muligt for alle at se og dele 3D-billeder i nanoskala med en ny open source-softwareplatform udviklet af forskere ved University of Michigan, Cornell University og open-source softwarefirma Kitware Inc.

Tomviz 1.0 er det første open source-værktøj, der gør det muligt for forskere nemt at oprette 3D-billeder fra elektrontomografidata, derefter dele og manipulere disse billeder i en enkelt platform.

Verden af ​​nanoskala materialer - ting på 100 nanometer og mindre - er et vigtigt sted for forskere og ingeniører, der designer fremtidens ting:halvledere, metallegeringer og andre avancerede materialer.

Ser i 3D, hvordan nanoskala pletter af platin placerer sig i en bils katalysator, for eksempel, eller hvordan pigge dendritter kan forårsage kortslutninger inde i lithium-ion-batterier, kunne anspore fremskridt som mere sikkert, længerevarende batterier; lettere, mere brændstofeffektive biler; og mere kraftfulde computere.

"3D-billeder i nanoskala er nyttige på en række områder, herunder bilindustrien, halvledere og endda geologi, "sagde Robert Hovden, UM assistent professor i materialevidenskabsteknik og en af ​​programmets skabere. "Nu behøver du ikke at være tomografiekspert for at arbejde med disse billeder på en meningsfuld måde."

Tomviz løser en central udfordring:vanskeligheden ved at fortolke data fra elektronmikroskoper, der undersøger nanoskalaobjekter i 3D. Maskinerne skyder elektronstråler gennem nanopartikler fra forskellige vinkler. Bjælkerne danner fremspring, når de bevæger sig gennem objektet, lidt ligesom nanoskala skygge dukker.

Når maskinen har udført sit arbejde, det er op til forskere at dele hundredvis af skygger ind i et enkelt tredimensionelt billede. Det er lige så svært som det lyder - en kunst såvel som en videnskab. Ligesom farvning af et traditionelt mikroskopglas, forskere tilføjer ofte skygge eller farve til 3D-billeder for at fremhæve bestemte attributter.

Traditionelt set de har været nødt til at stole på en hodgepodge af proprietær software til at klare de tunge løft. Arbejdet er dyrt og tidskrævende; så meget, at selv store virksomheder som bilproducenter kæmper med det. Og når først et 3D-billede er oprettet, det er ofte umuligt for andre forskere at gengive det eller dele det med andre.

Tomviz forenkler processen dramatisk og reducerer mængden af ​​tid og computerkraft, der er nødvendig for at få det til at ske, dens designere siger. Det gør det også muligt for forskere let at samarbejde ved at dele alle de trin, der gik i at skabe et givet billede og sætte dem i stand til at lave tweaks af deres egne.

"Disse billeder er meget forskellige fra den 3D-grafik, du ville se på en biograf, som i det væsentlige er smart oplyste overflader, "Sagde Hovden." Tomviz udforsker både overfladen og det indre af et objekt i nanoskala, med detaljerede oplysninger om dens densitet og struktur. I nogle tilfælde, vi kan se individuelle atomer. "

Nøglen til at få Tomviz til at ske var at få tomografieksperter og softwareudviklere til at samarbejde, Sagde Hovden. Deres første udfordring var at få adgang til en stor mængde tomografi af høj kvalitet. Teamet samlede eksperter på Cornell, Berkeley Lab og UCLA til at bidrage med deres data, og skabte også deres eget ved hjælp af U-M's mikroskopi center. For at omdanne rådata til kode, Hovdens team arbejdede med open source-softwareproducenten Kitware.

Med udgivelsen af ​​Tomviz 1.0, Hovden ser mod de næste faser af projektet, hvor han håber at integrere softwaren direkte med mikroskoper. Han mener, at U-M's atomprobe tomografi faciliteter og ekspertise kunne hjælpe ham med at designe en version, der i sidste ende kunne afdække kemien for alle atomer i 3D.

"Vi låser op for adgang til at se nye 3D -nanomaterialer, der vil drive den næste generation af teknologi, "Hovden sagde." Jeg er meget interesseret i at skubbe grænserne for forståelse af materialer i 3D. "