Graphics processing units (GPUs), originally developed for rendering real-time effects in computer games, now provide unprecedented computational power for scientific applications. In this paper, we develop a general purpose molecular dynamics code that runs entirely on a single GPU. It is shown that our GPU implementation provides a performance equivalent to that of fast 30 processor core distributed memory cluster. Our results show that GPUs already provide an inexpensive alternative to such clusters and discuss implications for the future.

We describe experimental investigations of the structure of two-dimensional spherical crystals. The crystals, formed by beads self-assembled on water droplets in oil, serve as model systems for exploring very general theories about the minimum-energy configurations of particles with arbitrary repulsive interactions on curved surfaces. Above a critical system size we find that crystals develop distinctive high-angle grain boundaries, or scars, not found in planar crystals. The number of excess defects in a scar is shown to grow linearly with the dimensionless system size. The observed slope is expected to be universal, independent of the microscopic potential.

We explore the potential of nanocrystals (a term used equivalently to nanoparticles) as building blocks for nanomaterials, and the current advances and open challenges for fundamental science developments and applications. Nanocrystal assemblies are inherently multiscale, and the generation of revolutionary material properties requires a precise understanding of the relationship between structure and function, the former being determined by classical effects and the latter often by quantum effects. With an emphasis on theory and computation, we discuss challenges that hamper current assembly strategies and to what extent nanocrystal assemblies represent thermodynamic equilibrium or kinetically trapped metastable states. We also examine dynamic effects and optimization of assembly protocols. Finally, we discuss promising material functions and examples of their realization with nanocrystal assemblies.

Sculpting a flat patch of membrane into an endocytic vesicle requires curvature generation on the cell surface, which is the primary function of endocytic protein complexes. The mechanism through which membrane curvature is imposed during formation of clathrin-coated vesicles is an ongoing controversy. Using super-resolved live cell fluorescence imaging, we demonstrate that curvature generation by clathrin-coated pits can be detected in real time within cultured cells and tissues of developing metazoan organisms. We found that the footprint of clathrin coats increase monotonically during formation of curved pits at different levels of plasma membrane tension. Our findings are only compatible with models that predict curvature generation at early stages of endocytic clathrin-coated pit formation. Therefore, clathrin-coated vesicle formation does not necessitate a dynamically unstable clathrin lattice that would allow an abrupt flat-to-curved transition.Summary Endocytic clathrin coats acquire curvature without a flat-to-curved transition that requires an extensive reorganization of the clathrin lattice.

Understanding crystal growth over arbitrary curved surfaces with arbitrary boundaries is a formidable challenge, stemming from the complexity of formulating nonlinear elasticity using geometric invariant quantities. Solutions are generally confined to systems exhibiting rotational symmetry. In this paper, we introduce a framework to address these challenges by numerically solving these equations without relying on inherent symmetries. We illustrate our approach by computing the minimum energy required for an elastic network containing a disclination at any point and by investigating surfaces that lack rotational symmetry. Our findings reveal that the transition from a defect-free structure to a stable state with a single fivefold or sevenfold disclination strongly depends on the shape of the domain, emphasizing the profound influence of edge geometry. We discuss the implications of our results for general experimental systems, particularly in elucidating the assembly pathways of virus capsids. This research enhances our understanding of crystal growth on complex surfaces and expands its applications across diverse scientific domains. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Biomolecular processesConformation & topologyCrystal phenomenaMechanical deformationSelf-assemblyVirusesStatistical methods