A planar 3-DOF nanopositioning platform with large magnification

AbstractPiezo-actuated flexure-based precision positioning platforms have been widely used in micro/nano manipulation. A conventional major challenge is the trade-off between high rigidity, large magnification, high-precision tracking, and high-accuracy positioning. A compact planar three-degrees-of-freedom (3-DOF) nanopositioning platform is described in which three two-level lever amplifiers are arranged symmetrically to achieve large magnification. The parallel-kinematic configuration with optimised sizes increases the rigidity. Displacement loss models (DLM) are proposed for the external preload port of the actuator, the input port of the platform and the flexible lever mechanism. The kinematic and dynamic modelling accuracies are improved by the compensation afforded by the three DLMs. Experimental results validate the proposed design and modelling methods. The proposed platform possesses high rigidity, large magnification, high-precision circle tracking and high-accuracy positioning

Artificial Intelligence in Materials Science: Applications of Machine Learning to Extraction of Physically Meaningful Information from Atomic Resolution Microscopy Imaging

Materials science is the cornerstone for technological development of the modern world that has been largely shaped by the advances in fabrication of semiconductor materials and devices. However, the Moore’s Law is expected to stop by 2025 due to reaching the limits of traditional transistor scaling. However, the classical approach has shown to be unable to keep up with the needs of materials manufacturing, requiring more than 20 years to move a material from discovery to market. To adapt materials fabrication to the needs of the 21st century, it is necessary to develop methods for much faster processing of experimental data and connecting the results to theory, with feedback flow in both directions. However, state-of-the-art analysis remains selective and manual, prone to human error and unable to handle large quantities of data generated by modern equipment. Recent advances in scanning transmission electron and scanning tunneling microscopies have allowed imaging and manipulation of materials on the atomic level, and these capabilities require development of automated, robust, reproducible methods.Artificial intelligence and machine learning have dealt with similar issues in applications to image and speech recognition, autonomous vehicles, and other projects that are beginning to change the world around us. However, materials science faces significant challenges preventing direct application of the such models without taking physical constraints and domain expertise into account.Atomic resolution imaging can generate data that can lead to better understanding of materials and their properties through using artificial intelligence methods. Machine learning, in particular combinations of deep learning and probabilistic modeling, can learn to recognize physical features in imaging, making this process automated and speeding up characterization. By incorporating the knowledge from theory and simulations with such frameworks, it is possible to create the foundation for the automated atomic scale manufacturing

Nanostructured Mg-ZK50 Sheets Fabricated for Potential Use for Biomedical Applications

Magnesium (Mg) alloys are widely used in biomedical applications thanks to their combination of exceptional mechanical properties, biocompatibility, and biodegradability. Mg-ZK alloy series; for instance, ZK40, ZK60 and ZK61; is an example of the most commonly used Mg bio-alloy. Zirconium (Zr) acts as a grain refiner when added to Mg, which manipulates the material structure by producing a refined internal structure and enhancing its properties. In addition, when Zinc (Zn) is added to a Mg-Zr alloy, strength is improved. Therefore, given the favorable properties of ZK alloys in biomedical applications, the current research aimed for the fabrication and the evaluation of a new ZK alloy with a new composition; ZK50, as a potential biomaterial for biomedical applications. Three stages were implemented in order to achieve the objective of this study. In the first stage, ball milling process was used to synthesize nanostructured Mg-ZK50 alloy from elemental powders (Mg, Zr, and Zn). The produced powders (BM) were studied using SEM, XRD and TEM to determine the internal structure refinement as well as the phase development due to milling. In the second stage, Powder-in-Tube (PIT) rolling process followed by annealing was applied to produce consolidated thin sheets from the BM powders. Accordingly, in the third stage, the effect of annealing on the internal structure, mechanical properties, corrosion behavior and cytotoxicity was evaluated. The mechanical milling of the elemental powders produced a nanostructured alloyed powder after 45 hrs of milling with a crystallite size of 8.83 nm, which is considered the finest internal structure for Mg and Mg based alloys to date. Afterwards, nanostructured thin sheets were successfully produced using PIT at 300 °C with 67% reduction percent. The modulus of the sheets was found matching to that of human bones. It is worthy to note that annealing was found to have a detrimental effect on the corrosion behavior of the alloy. However, a hydroxyapatite layer was formed which indicated that the produced sheets induced osteoinductivity of the bone. Moreover, cytotoxicity of the sheets was not affected by the sheets and all the produced sheets showed an acceptable toxicity level within the cells. In conclusion, the produced Mg-ZK50 nanostructured alloyed sheets are considered a new potential biomaterial for orthopedic implants that induces osteoinductivity and prevent stress shielding

All-Atom Multiscale Computational Modeling Of Viral Dynamics

Thesis (Ph.D.) - Indiana University, Chemistry, 2009Viruses are composed of millions of atoms functioning on supra-nanometer length scales over timescales of milliseconds or greater. In contrast, individual atoms interact on scales of angstroms and femtoseconds. Thus they display dual microscopic/macroscopic characteristics involving processes that span across widely-separated time and length scales. To address this challenge, we introduced automatically generated collective modes and order parameters to capture viral large-scale low-frequency coherent motions. With an all-atom multiscale analysis (AMA) of the Liouville equation, a stochastic (Fokker-Planck or Smoluchowski) equation and equivalent Langevin equations are derived for the order parameters. They are shown to evolve on timescales much larger than the 10^(-14)-second timescale of fast atomistic vibrations and collisions. This justifies a novel multiscale Molecular Dynamics/Order Parameter eXtrapolation (MD/OPX) approach, which propagates viral atomistic and nanoscale dynamics simultaneously by solving the Langevin equations of order parameters implicitly without the need to construct thermal-average forces and friction/diffusion coefficients. In MD/OPX, a set of short replica MD runs with random atomic velocity initializations estimate the ensemble average rate of change in order parameters, extrapolation of which is then used to project the system over long time. The approach was implemented by using NAMD as the MD platform. Application of MD/OPX to cowpea chlorotic mottle virus (CCMV) capsid revealed that its swollen state undergoes significant energy-driven shrinkage in vacuum during 200ns simulation, while for the native state as solvated in a host medium at pH 7.0 and ionic strength I=0.2M, the N-terminal arms of capsid proteins are shown to be highly dynamic and their fast fluctuations trigger global expansion of the capsid. Viral structural transitions associated with both processes are symmetry-breaking involving local initiation and front propagation. MD/OPX accelerates MD for long-time simulation of viruses, as well as other large bionanosystems. By using universal inter-atomic force fields, it is generally applicable to all dynamical nanostructures and avoids the need of parameter recalibration with each new application. With our AMA method and MD/OPX, viral dynamics are predicted from laws of molecular physics via rigorous statistical mechanics

Computational Modeling of Black Phosphorus Terahertz Photoconductive Antennas using COMSOL Multiphysics with Experimental Comparison against a Commercial LT-GaAs Emitter

This thesis presents computational models of terahertz (THz) photoconductive antenna (PCA) emitter using COMSOL Multiphysics commercial package. A comparison of the computer simulated radiated THz signal against that of an experimentally measured signal of commercial reference LT-GaAs emitter is presented. The two-dimensional model (2D) aimed at calculating the photoconductivity of a black phosphorus (BP) PCA at two laser wavelengths of 780 nm and 1560 nm. The 2D model was applied to the BP PCA emitter and the LT-GaAs devices to compare their simulated performance in terms of the photocurrent and radiated THz signal pulse. The results showed better performance of the BP PCA compared with that of LT-GaAs emitter. The three-dimensional model (3D) improved the accuracy of the solution by eliminating some assumptions included in the 2D model of the BP PCA such as the application of the actual bowtie geometry of the electrodes and the inclusion of the distribution of the laser footprint in x- and y- directions. Furthermore, the 3D model investigated the temperature variation in the BP PCA emitter due to the Joule heating from the conduction of the current induced by the bias voltage and the laser heating produced by the electromagnetic power dissipation of the laser. However, the 3D model introduced computational challenges (i.e., solution time, CPU, and memory, RAM) because of the multi-scale nature of the BP configuration from nanoscale to microscale. The parallel version of the COMSOL package was executed on the supercomputer of XSEDE at Pittsburg and the AHPCC at the University of Arkansas to successfully overcome these challenges. This helped to simulate a large case of total number of unknown of 313, 252,784.00 that required 3,202.98 GB RAM and 25 h CPU time on XSEDE Bridges. In addition, the TeraAlign THz experimental system, purchased from TeraView, Cambridge, UK, was used to measure the THz signal radiation of the commercial LT-GaAs emitters, demonstrating good agreement in terms of the pulse width and shape

Molecular Dynamics Simulation Analysis Of His226 Mutation On The Dynamics Of The Atpase Domain Of Dnak

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Proteinler, canlılar için yaşamsal açıdan önemli makromoleküllerdir. Sentezlendikten sonra fonksiyonel özelliklerini kazanmaları içinse doğru şekilde katlanmaları şarttır. Peptid zinciri sentezlenirken, üç boyutlu yapısını kazanması sürecinde görülen ilk etkileşimler hidrofobik etkileşimlerdir. Sonrasında ise iyonik etkileşimler,van der Waals etkileşimleri, dipol-dipol etkileşimleri, hidrojen bağları ile birlikte peptit zincirleri fonksiyonel hale geldiği üç boyutlu yapısına ulaşır. Bazı küçük proteinler bu şekilde tek başına katlanabilirken, pek çok protein katlanabilmek için şaperonlara ihtiyaç duyar. Proteinlerin düzgün katlanamaması ise, Alzheimer, Parkinson gibi çeşitli nörodejeneratif hastalıklara sebebiyet verebilir. Şaperonlar ilk kez 1978 yılında Ron Laskey tarafından bulundu. 1987 yılında R. John Ellis tarafından yapılan çalışmalarla birlikte, bu konudaki araştırmalar hız kazandı. Eksikliklerinde nörodejeneratif hastalıkların oluştuğunun keşfedilmesi ile beraber, şaperonlar ile ilgili çalışmalar oldukça sık gündeme gelmeye başlamıştır. Şaperonlar, normal şartlarda hücrede normal seviyelerde sentezlenir. Stres koşulları ise bu durumu değiştirebilir. Şaperonlar hücrenin aşırı ısı ve pH değişiminden olumsuz etkilenmemesini sağlamanın yanında oksidatif stres ve kimyasal stres gibi durumlara karşı da hücreyi korur. Bu gibi streslere karşı hücrenin bir savunma stratejisi olarak, şaperonların ekspresyonları artar ve tehdit altında olan hücre içi yaşamsal öneme sahip enzimlerin ve diğer proteinlerin yapısının bozularak fonksiyonel olarak zarar görmeleri engellenir. Hsp70, şaperon ailesinin en bilinen ve en yaygın üyesidir. Şaperonlar evrimsel süreçte korunmuş moleküler şaperonlar arasında yer almaktadır. Bakteri, arkea ve ökaryotlarda olmak üzere neredeyse tüm hücrelerde bulunurlar ve hayati açıdan önemli rollere sahiptirler. Örneğin, yeni eksprese edilmiş peptit zincirlerinin katlanması, agregat oluşumunun önlenmesi ya da proteinlerin belirli organellere translokasyonu Hsp70 tarafından gerçekleştirilir. Hsp70, katlanacak proteinin hidrofobik bölgelerine bağlanarak bu bölgelerin birbirleriyle doğru olmayan şekilde etkileşmesini önler, bu sayede proteinin yanlış katlanmasını engeller. Bu sebepten ötürü, Hsp70'in proteinlerin katlanmasında katalizör görevi görmediği, katlanması gereken proteinler için uygun ortam oluşturduğu düşünülmektedir. Çalışmamızda kullanılan E.coli Hsp70 homoloğu olan DnaK iki domenden oluşmaktadır. Bunlardan biri amino (N) ucunda bulunan nükleotit bağlayan ve ATPaz aktivitesi olan 44 kDa'lık Nükleotit Bağlanan Domen (NBD), diğeri ise karboksil (C) ucunda bulunan ve substrat bağlayan 25 kDa'lık Subsrat Bağlanan Domen (SBD)'dir. Bu iki domen ise oldukça korunmuş, domenler arasında bulunan xxiv hidrofobik bir bağlaç ile bağlanır. NBD ve SBD arasında allosterik bir etkileşim mevcuttur. Bu iki domen arasındaki iletişim ise domenler arasındaki bağlaç tarafından sağlanmaktadır. Her iki domende de gerçekleşen konformasyonel değişiklikler sonucunda, ATP bağlanması ve hidrolizi substrat affinitesini düzenlerken, ATP hidrolizi ise substrat bağlanması ile tetiklenmektedir. Yapılan kristalografi ve NMR çalışmaları sonucunda elde edilen yapılarda, ADP bağlı halde, bu iki domen ve bağlaç birbirinden ayrı şekilde gözlemlenmektedir. Bu durumda SBD'nin substrata olan afinitesi yüksektir ve dolayısıyla SBD, katlanacak protein üzerine kapanmış durumdadır. NBD'ye ATP bağlandığında ise, SBD açık bir konformasyonda ve bağlacı NBD'nin içlerine alacak şekilde NBD ile etkileşmektedir. Bu konformasyonda SBD'nin substrata afinitesi düşüktür ve katlanmış proteinin salınması ATP bağlı halde gerçekleştirilir. Sonrasında, SBD'ye bağlanan katlanması gerekli yeni bir protein, NBD'ye bağlı halde bululanan ATP'nin hidrolizini tetikler. ATP'nin ADP'ye hidrolizi sırasında SBD katlanması gereken proteinin üzerine kapanır, NBD ve SBD birbirinden tekrar ayrılır ve mekanizma bu döngü ile devam eder. Bu döngüye koşaperonlar eşlik eder. Hsp40 ailesi ve nükleotit değişim ailesi bu döngüde görevli koşaperonlar olarak bilinir. Hsp40 ailesi (DnaK için DnaJ), ATP hidrolizini hızlandırmakla görevliyken, nükleotit değişim faktörleri (DnaK için GrpE) ise hidroliz ile oluşan nükleotiti değiştirmek ve Hsp70'yi yeni döngüye hazırlama görevindedir. Mayer ve Bukau'nun 2015 yılında yaptığı son çalışmalar, ATP ile indüklenen substrat salınımının, substratın bağlanmasıyla uyarılan ATP hidrolizine göre şaperonun aktivitesinde daha önemli bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. 2007 yılında, Swain grubu tarafından yapılan çalışmalarla, domenler arası bağlacın hidrofobik 389VLLL 392 sekansının NBD ve SBD arasındaki allosterik ilişkiden sorumlu olduğu bulunmuştur. Yine bu çalışmaya göre, bağlaç varlığında DnaK (1- 392), substrat tarafından uyarılmış yabanıl tip DnaK gibi davranmaktadır. Yabanıl tip, substrat ile uyarılmamış DnaK'nin aksine, DnaK (1-392)'nin pH bağımlı ve daha yüksek ATPase aktivitesi vardır. Diğer bir taraftan ise, bağlaç yokluğunda DnaK (1- 388), substrat tarafından uyarılmamış yabanıl tip DnaK'yi taklit etmektedir. Moleküler dinamik simulasyonları, 1950 yıllarının ikinci yarısına doğru ortaya çıkmıştır. 1960'larda daha da gelişmiş ve ilk kez 1977 yılında bovin pankreatik tripsin inibitörü ile birlikte proteinler üzerinde kullanılmaya başlanmıştır. In vivo ve in vitro olarak gözlemlemekte güç olabilecek bazı konularda fikir vermek için kullanılan önemli yollardan biri haline gelmiştir. Biyokimya ve biyofizikte oldukça geniş bir uygulama alanı bulmuştur. Bu çalışma DnaK (1-392) ve (1-388) kesik yapılarında, ATP bağlı durumda konformasyonel ve dinamiksel farklılıkları göstermeyi amaçlamanın yanısıra 226. konumdaki histidinin alanine mutasyonu halinde genel konformasyon ise de nasıl bir değişim olduğunu moleküler dinamik analizleriyle göstermeyi amaçlamaktadır. Kesik yapılar 4JN4 kodlu PDB (protein data bank) dosyasından modifiye edilip, NAMD/CHARMM-GUİ kullanılarak 200 ns boyunca yürütülmüştür. Bu süreçte ortalama karekökten sapma (RMSD) ve ortalama karekök değişimi (RMSF) gibi temel moleküler dinamik analizlerinin yanısıra, Başlıca Komponent Analizi (PCA), hedef amino asitler için zamana bağımlı uzaklık ölçümleri ve proteinin ne kadar kompakt olduğunu ölçmek amacıyla dönüş çapı (Rg) analizi yapılmıştır. Yapılan analizler sonucu bağlacın 389VLLL392 kısmının bulunmadığı DnaK (1-388) kesik yapısının, bağlacın bulunduğu DnaK (1-392) yapısına gore belirli bölgelerde xxv daha kapalı bir konformasyonda olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca bu iki yapı arasında farklı dinamikler olduğu da görülmektedir. Bir diğer önemli sonuç ise bağlaç varlığında His226'nın bu dinamikte önemli bir rolü olduğu yönündedir. 226 numaralı Histidinin alanine mutasyonu ile birlikte, konformasyonun daha da açıldığı, bazı amino asitlerin de bulunduğu konumdan oldukça saptığı görülmüştür. Bunlardan önemli olarak gördüğümüz katalitik bölgede bulunan ve ATP hidrolizinden sonra fosfatı kabul eden amino asit olduğu düşünülen 199. konumdaki Treonin yakından incelendiğinde simulasyon sürecinin sonlarına doğru ATP'den aniden ve önemli ölçüde uzaklaştığı görülmüştür. Bu durumun doğurabileceği sonuçlar, araştırma grubumuza ait diğer deneysel verileri desteklemekle birlikte Histidinin Hsp70 genel dinamiği için ne kadar önemli olduğunu da göstermektedir. Uzun vadede, yapılan bu moleküler dinamik simulasyon çalışmalarının Hsp70 çalışma mekanizmasını detaylı bir şekilde ortaya koyarak Hsp70 kaynaklı nörodejenaratif hastalıkların tedavisine ışık tutabileceği düşünülmektedir.Hsp70s are evolutionarily highly conserved ATP-dependent molecular chaperones which are ubiquitously expressed in the cell. They are found in three domains of life and have essential roles in cells, such as aiding proper folding of nascent polypeptides, prevention of polypeptide chains from misfolding and translocation of proteins across membranes. The diverse cellular functions of Hsp70s are based on the recognition of hydrophobic sequences of client protein. Hsp70s corporate with other co-chaperones like nucleotide exchange factors and J-domain proteins. In our study, we used DnaK which is an Escherichia coli homolog of Hsp70. DnaK have an N-terminal nucleotide-binding ATPase domain (NBD) and a C-terminal substrate-binding domain (SBD). These two domains are connected by a highly conserved hydrophobic interdomain linker. There is an allosteric communication between the domains via the hydrophobic linker. Substrate affinity is regulated by ATP binding and hydrolysis, which results in conformational changes in both domains, while ATP hydrolysis is stimulated by substrate binding. In 2007, Swain et al. revealed that the conserved hydrophobic 389VLLL392 sequence of the interdomain linker is responsible for the allosteric communication between NBD and SBD. According to this study, DnaK (1-392) behaves like the substrate-stimulated DnaK that is pH-dependent, and shows higher activity than that of the unstimulated fulllength protein. In contrast, DnaK (1-388) mimics the activity of the substrate-free form of the full-length DnaK. Which amino acids in the catalytic site are responsible in allosteric communication and pH-dependent ATPase activity in the presence of linker are not enlightened so far, however there are several research trying to find out the key residues and reveal the detailed mechanism of DnaK. In this study, the effect of linker 389VLLL392 on the ATP-bound protein conformation and H226A mutation on ATP-bound DnaK's (1-392) construct were investigated by using molecular dynamics simulations. MD simulation trajectories were analyzed by root mean square deviation (RMSD) and, root mean square fluctuation (RMSF) analysis, also by distance measurement in a time-dependent manner and, principle component analysis. From these analysis it was found that distance between the helices which contain His226 and its neighbour helix is closer to each other in DnaK (1-388) constructs. Moreover, this study reveals that His226 contributes the stabilization of residue Thr199 which is suspicious as a phosphate acceptor after the hydrolysis of ATP.Yüksek LisansM.Sc

Memristors for the Curious Outsiders

We present both an overview and a perspective of recent experimental advances and proposed new approaches to performing computation using memristors. A memristor is a 2-terminal passive component with a dynamic resistance depending on an internal parameter. We provide an brief historical introduction, as well as an overview over the physical mechanism that lead to memristive behavior. This review is meant to guide nonpractitioners in the field of memristive circuits and their connection to machine learning and neural computation.Comment: Perpective paper for MDPI Technologies; 43 page