Author: Danilo Roccatano

A Practical Introduction to the C Language for Computational Chemistry. Part 4

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Controlling complexity is the essence of computer programming.

Brian W. Kernighan. in Software Tools (with PJ Plauger), 1976.

THE FUNCTIONS

A C program is a collection of functions. A C function is equivalent to the subroutiing in FORTRAN or BASIC and procedures in PASCAL, PERL or PYTHON programming languages. It is a portion of the program that cannot be executed indipendently but only as part of another program. The function contains a specific algorithm or a stand alone procedure. You have already used several library functions in your previous programs. Output command for priting or reading files (such as printf(), openf()), mathematical functions (sqrt(), cos() are library or intrinsic functions as well. Other libraries functions, we can classify them as follows

  • Input/output functions. Input/output on the computer devices (e.g. output to the terminal, printer, hard disk, input from keyboard). It is usually used with #include <stdio.h>;
  • String manipulation functions. This library contains common operation on strings (e.g. concatenation, length, search and extraction of substrings). It is usually used with #include <string.h>;
  • Mathematical functions. Mathematical calculations (e.g. trigonometrics functions, exponentiation, square root extraction). It is usually used with #include <math.h>;
  • Graphical functions. Function for graphics operations (open a graphical window and canvas) and drawing graphical primitives (e.g. points, line, curves).
  • Operative system control functions. Operation requiriing allocation of the computer resources or devices (e.g. date and time, allocation of memory). It is usually used with, for example, #include <time.h>;
  • Data conversion functions. Operation for data conversion (e.g. change characters type, ascii to integer). It is usually used with #include <ctype.h>;

To use these function, you need to use the precompiler instruction #include at the beginning of the program. The compiler use by deafult the standard library #include <stdlib.h>;

You can write your own functions and it is called user defined functions. The use of function allow to structure the program and make easier its organization and reading. C language is structured around the use of functions. The function main is a function itself and it contains calls to other functions. both intrinsic and user defined functions.

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Il Trigesimo Anniversario della mia Tesi di Laurea

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Mais à l’instant même où la gorgée mêlée des miettes du gâteau toucha mon palais, je tressaillis, attentif à ce qui se passait d’extraordinaire en moi. Un plaisir délicieux m’avait envahi, isolé, sans la notion de sa cause.

PROUST Marcel, Du côté de chez Swann.

Ci sono ricordi del passato che rievocano nostalgicamente piacevoli momenti nella nostra vita. Questi preziosi tesori sono, a volte, sepolti nella nostra mente o, come nel mio caso, in quella di dimenticati cristalli di ferrite. Come per dolcetti di Proust, il ritrovamento di queste vestigie ci fa rivivere le emozioni di un passato lontano. I ricordi di cui parlo sono quelle della mia tesi di Laurea in Chimica che dopo essere stata scritta e discussa fu poi dimenticata nella memoria artificiale di obsoleti supporti magnetici degli albori della rivoluzione digitale.

Discussi la mia tesi di laurea il 23 dicembre dell’anno 1992, era l’ultima sessione di laurea di quell’anno. A quell’epoca, non esisteva ancora la laurea triennale che fu introdotta in conformità con il processo di Bologna dall’anno scolastico 2001/2002. Il corso di laurea in chimica era quinquennale e si entrava in tesi nell’ultimo anno. La tesi sperimentale comportava un lavoro originale che doveva essere discusso di fronte a una commissione di laurea composta dai professori del dipartimento, i relatori e i controrelatori (coloro che dovevano leggere la tesi e valutare il lavoro di ricerca e la sua presentazione). Pertanto, la tesi di Laurea (come del resto l’equivalente tesi magistrale) era un’esperienza molto importante nel condizionare la scelta dello studente nell’avviarsi o meno in una carriera accademica. Nel mio caso, la tesi segnò la scelta di intraprendere la carriera dello scienziato e educatore.  Scelta che, come gli academici goliardici delle prime università europee, mi ha portato a peregrinare lontano dalla mia alma mater nelle lontane Università del nord Europa. Di fatti, questa prefazione è stata abbozzata a Brema in Germania e completata a Lincoln nel Regno Unito, a pochi chilometri dalla città che diede i natali a Isacco Newton.

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Tre nuovi progetti per l’automatizzazione della microscopia ottica amatoriale

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Ho recentemente pubblicato nel mio sito su AUTODESK Instructables altri tre progetti di microscopia. Sono nati come progetti didattici (STEM) ma possano essere anche utili per applicazioni amatoriali scientifiche. Mio figlio Leonardo (ma anche il resto della famiglia), mi ha aiutato nella creazione della documentazione per questi progetti. In questo articolo riassumo brevemente in italiano la natura edei tre progetti. Le istruzioni dettagliate in inglese per la realizzazione dei progetti possono essere lette sul sito Instructables seguendo i links.

Il Roto-Microscopio

Questo progetto mira a sviluppare un dispositivo che integrato con un microscopio USB economico consenta di scattare foto 3D di piccoli campioni. Il progetto nasce come un’attività educativa di tipo STEM per creare Arduino, la ricostruzione di immagini 3D e la stampa 3D un’attrezzatura utile per alcune entusiasmanti attività scientifiche. Come il mio progetto precedente, è anche l’occasione per condividere attività coinvolgenti ed educative con la mia famiglia e in particolare con mio figli Leonardo che mi ha aiutato a creare questa documentazione e a valutare il dispositivo nel ruolo di un entusiast studente. In questa occasione, anche la mia adorabile moglie ci ha aiutato a realizzare il video dell’assemblaggio dell’attrezzatura.
Il roto-microscopio consente di controllare la posizione di un semplice microscopio USB attorno al campione. Questo ci permette di scattare foto accurate da diverse angolazioni e non solo dall’alto lungo la verticale come nei tradizionali microscopi ma anche da direzioni diverse. Questa non è un’idea nuova, poiché esistono microscopi professionali che operano allo stesso modo. Tuttavia, la realizzazione di dispositivo richiede una spesa modesta alla portata di uno studente garantisce molto divertimento nel costruirlo e produce risultati di buona qualità.

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ROMIO: a Remotely-Operated MIcrOscope

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By love, that first did prompt me to enquire;
He lent me counsel, and I lent him eyes. 

William Shakespeare. Romeo and Juliet. Act II.

Another STEM project is avaialbel here on my AUTODESK Instructable site. We could not help but continue to explore our favourite hobby: microscopy. The interest received in our previous microscopy-related projects has encouraged us to propose other ideas and designs based on further elaborations of both the ROTAMI and the roto-microscope projects. For the latter, Arduino was the microcontroller of choice. In this new device, we decided to take a step further to venture into the use of the fabulous Raspberry PI computer. The results paid back all the e orts; the new ROMIO (I hope Shakespeare’s lover will forgive us for using the illustrious name assonance!) is an XY mobile platform for USB digital microscopes controlled remotely by a RaspPI zero 2 W. In addition to the translation movements, it is possible to adjust the focus of the digital microscope with an additional servo motor. We have developed a simple Python program (called RasPyliet) to control the microscope and automatically collect a series of images for stitching reconstruction.

Moreover, using an additional RaspCamera, you can monitor the device’s correct functioning. The project requires a 3D printer, an inexpensive USB microscope and a Raspberry PI zero W (or higher models) version 2. The project could be used as a STEM project or and affordable replacement for more expensive school equipment for biology projects.

The story of ROMIO and RasPyiet did not end up in a tragedy, but as with every prototype, it still has some known problems and limitations, and there is space for improvement. So we hope you like it, and constructive comments and suggestions are always welcome!

Physical Chemistry: The Simple Hückel Method (Part VI): PREVIEW

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LIST OF PREVIOUS LESSONS

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Una introduzione alla programmazione in Python

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Hi, little cub. Oh, no. Don’t be scared. I’m not gonna hurt you.

Dal film: The Jungle Book. Walt Disney Picture, 2016.

Python è un linguaggio non proprietario e di pubblico dominio è stato creato dall’olandese Guido van Rossum nel 1989. von Rossum racconta nella prefazione che a scritto per il libro sul Python di Lutz e Acher [1], che il progetto di scrivere un nuovo linguaggio è iniziato come un passatempo per le vacanze di Natale! Il linguaggio è stato ispirato dal linguaggio ABC. L’autore dice che “Ho scelto Python come titolo provvisorio per il progetto, essendo di umore un po’ irriverente (e un grande fan di Flying Circus dei Monty Python)”. Sicuramente il risultato è stato un nuovo linguaggio di grandissima diffusine e successo tanto che è tra il linguaggio più usati e insegnati nelle scuole. Il motivo del suo successo è duvuto all’insieme delle caratteristiche che lo distinguono da altri linguaggi di programmazioni che lo hanno preceduto. La sintassi usato per il codice Python è facile da leggere e capire. Permette di ottenere ridurre i tempi di programmazione rendendo possibile scrivere codici complessi in breve tempi. È un linguaggio interpretato ovvero il codice può essere eseguito direttamente senza il bisogno di compilarlo prima. Inoltre, in fase di esecuzione le informazioni ricevute dall’interprete permettono di trovare facilmente errori. Il linguaggio Python può essere usato su tutti i sistemi operativo disponibili quali Windows, Mac, Linux, Android, iOS e anche su microcomputers quali il Raspberry Pi. Sono state sviluppate tantissime raccolte di programmi (chiamate librerie) per eseguire compiti specifici (ad esempio grafica, risoluzione di equazioni differenziali) per velocizzare la scrittura di nuovi programmi.

Python è utilizzato in tutte le area della scienza, tecnologia, attività sociali e finanziarie. Per esempio, è usato nella robotica, per l’analisi dei dati in medicina, astronomia, bioinformatica, fisica delle particelle (solo per citarne alcune), nell’industria cinematografia, musicale e dei videogiochi. 

Pertanto, imparare Python può tornare utile per creare progetti molto interessanti che supportano sia lo studio e che la futura carriera. In questa serie di articoli vengono dati dei rudimenti di programmazione in Python sufficienti a stimolare l’ interesse ad approfondire ulteriormente la conoscenza di questo fantastico linguaggio di programmazione. Per tale scopo si può consultare alla fine di questo articolo un elenco di siti online dove trovare ulteriori informazion sul linguaggio.

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The ROTAforMI: a RObotic TAble for Microscopy

/ Danilo Roccatano / Leave a comment

I have recently published another STEM oriented robotic project. It is the ROTAforMI device, a versatile robotic device for controlling the position and orientation of a microscope slide using four degrees of freedom. This prototype is a complementary development of the idea behind the Roto-microscope project. It was inspired by related projects of servo motors-controlled micromanipulators and 3D micro scanners.

The device is entirely 3D printed and is actioned by four small servos controlled by one Arduino Nano microcontroller. The device can be controlled manually using two micro joysticks (and possibly also automatically via a programmed sequence of movements). In addition, a Bluetooth remote can take snapshots with a smartphone’s camera.

The device is made modular to use for different purposes. For example, removing the Y-stage should be sufficient to fit it under a stereomicroscope. Although the electronic interface is quite bulky, the device is simple to assemble and use, and the controlling program is still in its early stages. The ultimate goal is to use it for automatic photo stacking or 3D image reconstruction. Still, we are sure there are other possible applications in which small motion in 3D dimensions and a rotation of the observation stage can be helpful.

This is a prototype, and there is a lot of space for improvements. So we hope you like it, and constructive comments and suggestions are always welcome!

If you want trying to build one, please follow to the link given above.

La Modellazione 3D della Forma delle Uova degli Uccelli per il Design di Oggetti Funzionali

/ Danilo Roccatano / 2 Comments

La Pasqua di quest’anno è stata un’altra occasione per pubblicare il mio tradizionale articolo sulla matematica della forma delle uova degli uccelli. Quest’anno con l’aiuto dei miei figli, abbiamo creato il seguente Instructable educazionale:

https://www.instructables.com/Modelling-and-Designing-of-Bird-Eggs-for-3D-Printi/

Il progetto mira a mostrare come utilizzare un semplice modello matematico per generare la forma 3D di uova di uccelli reali aggiustandone i diversi parametri. I modelli di uova generati possono essere salvati come modello tridimensionale nel formato STL e poi stampati utilizzando una stampante ad estrusione di filamento plastico. L’uovo stampato può essere dipinto o modificato utilizzando un programma di modellistica 3D (per esempio MeshLab, sviluppato in Italy dal Visual Computing Lab of CNR-ISTI) per aggiungere funzionalità per gadget o giocattoli nella forma di uovo. Viene spiegato in dettaglio un esempio di come creare un uovo illuminato internamente con un LED multicolore.

Più recentemente, per divertimento, ho pubblicato sempre su sito Instrutables un altro esempio usando lo stesso approccio:

https://www.instructables.com/The-Eggyrint/

Inoltre, l’argomento della modellazione della forma delle uova è stato trattato in articoli precedenti e il lettore interessato può integrare le informazioni nel progetto Instructable con quelle fornite nei seguenti articoli:

https://wordpress.com/post/daniloroccatano.blog/3792

https://wordpress.com/post/daniloroccatano.blog/5171

https://wordpress.com/post/daniloroccatano.blog/6760

Nell’Instructable dviene fornito un programma in C++ che dà la possibilità di generare le forma 3D delle uova e salvarle in STL. Può essere utilizzato per la ricerca, l’insegnamento e il divertimento.

Spero che il nostro progetto vi piaccia e commenti e suggerimenti costruttivi sono sempre i benvenuti!

Physical Chemistry: The Simple Hückel Method (Part V)

/ Danilo Roccatano / 1 Comment

In the previous four parts of this series of articles on the SHM (the links to the other parts are reported at the end of the article), we learned how to apply the Hückel method to conjugated linear and cyclic molecules containing only carbon atoms. However, an unsaturated molecular system can contain hetero atoms that can conjugate their electrons. The contribution of different theoretical chemists has extended the method by including semiempirical terms for the overlapping integrals that consider the presence of non-carbon atoms in the conjugated system. This effort has been summarized by the American chemist A. Streitwieser providing a set of parameters to approximate both Columb and bond integrals in the Hückel determinant [1]. The derivation of these parameters has been discussed in detail by Streiweiser [2] or by Lowe [2]. This article will teach us how to use these parameters to build up the Hückel determinant for this conjugated molecular system.

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Chimica Fisica: Il metodo di Hückel (Parte I)

/ Danilo Roccatano / Leave a comment

Il metodo degli orbitali molecolari di Hückel è un metodo quanto meccanico semi-empirico usato per calcolare le proprietà degli orbitali molecolari degli elettroni π in sistemi d’idrocarburici coniugati, come, per esempio, l’etilene, il benzene o il butadiene. In questa serie di articoli, ho riassunto gli aspetti principali della teoria con esempi pratici di applicazioni e programmazione del metodo.

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