Summary
Modellazione accurata di strutture nanohelical è importante per gli studi di simulazione predittiva che portano a nuove applicazioni delle nanotecnologie. Attualmente, i pacchetti software ei codici sono limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Vi presentiamo due procedure volte a creare modelli nanohelical atomistici per le simulazioni, e un'interfaccia grafica per rafforzare la ricerca attraverso la visualizzazione.
Abstract
Materiali primaverile sono onnipresenti in natura e di interesse nel campo delle nanotecnologie per la raccolta di energia, stoccaggio di idrogeno, e applicazioni di rilevamento biologico. Per simulazioni predittive, è diventato sempre più importante essere in grado di modellare la struttura del nanohelices precisione. Per studiare l'effetto della struttura locale sulle proprietà di queste geometrie complesse si deve sviluppare modelli realistici. Fino ad oggi, i pacchetti software sono piuttosto limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Questo lavoro si concentra sulla produzione di modelli atomistici di vetro di silice (SiO 2) nanoribbons e nanosprings di dinamica molecolare (MD) simulazioni. Utilizzando un modello MD di "bulk" di vetro di silice, due procedure di calcolo per creare con precisione la forma di nanoribbons e nanosprings sono presentati. Il primo metodo utilizza il linguaggio di programmazione e il software open-source AWK per scolpire in modo efficace varie forme di nanoribbons silice dal imodello di massa nitial, con dimensioni desiderate ed equazioni parametriche per definire un elica. Con questo metodo, accurati nanoribbons silice atomistiche possono essere generati per un intervallo di valori del passo e dimensioni. Il secondo metodo prevede un codice più robusto che consente flessibilità nelle strutture modellazione nanohelical. Questo approccio utilizza un codice C ++ particolare scritta per implementare metodi di pre-screening nonché le equazioni matematiche per un'elica, con conseguente maggiore precisione ed efficienza durante la creazione di modelli nanospring. Utilizzando questi codici, ben definiti e nanoribbons scalabili e nanosprings adatti per le simulazioni atomistiche possano essere effettivamente creati. Un valore aggiunto in entrambi i codici open-source è che possono essere adattate per riprodurre diverse strutture elicoidali, indipendentemente dal materiale. Inoltre, un'interfaccia utente grafica MATLAB (GUI) è utilizzato per migliorare l'apprendimento attraverso la visualizzazione e l'interazione di un utente generico con l'elicottero atomisticastrutture cal. Una applicazione di questi metodi è il recente studio di nanohelices via MD simulazioni per scopi di energy harvesting meccanici.
Introduction
Nanostrutture elicoidali sono tipicamente prodotti in laboratorio utilizzando vapori chimici tecniche di deposizione 1-2, mentre nuovi approcci sono stati riportati in letteratura 3. In particolare nanosprings e nanoribbons sono stati studiati per le loro proprietà distinte e promettenti applicazioni in sensori, ottica e dispositivi elettromeccanici e fluidici 4-7. Metodi di sintesi sono stati segnalati per la produzione di silice (SiO 2) nanoribbons, rendendo queste strutture potenziali unità blocco di costruzione per sistemi gerarchici. Sintesi Romanzo di nanosprings silice 3D ha ampliato le proprie applicazioni per chemiresistors rivestiti con ZnO 8 o nanoparticelle per applicazioni diagnostiche 9-10.
Studi sperimentali sulle proprietà meccaniche dei nanosprings di silice e nanoribbons sono scarsi, soprattutto a causa limitazioni attuali manipolazione e metodi di prova e equipment. Indagini sulle nanomeccanica di nanostrutture e nanosprings sono stati riportati con la teoria e simulazioni 11-14. Alcune simulazioni 13 si sono concentrati sul comportamento nanomeccanico di nanosprings amorfi perché possono esplorare regimi non completamente accessibili attraverso la sperimentazione. Studi atomistica nanosprings metallici sono stati riportati in letteratura per studiare la dipendenza dimensioni di proprietà elastiche 15, e più recentemente le nanomeccanica di cristallini elicoidale nanostrutture di silicio 14. Sperimentazione di strutture nanospring è stata effettuata anche in materiali diversi come ad esempio nanostrutture di carbonio elicoidali e nanocoils carbonio 16-17. Nonostante le conoscenze raccolte finora, è necessaria una comprensione più completa delle proprietà meccaniche di questi nuovi nanostrutture per i futuri sforzi nanodispositivo fabbricazione.
Come studi MD di silice glass (silice non cristallina) nanohelices sono ancora piuttosto limitate, la modellizzazione atomistica di tali strutture richiede la creazione di codici personalizzati. Sono stati identificati fino ad ora su di recente ricerca in letteratura anche altri metodi alternativi di creazione in vetro di silice modelli MD elicoidali. In questo lavoro, un approccio bottom-up alla modellizzazione atomistica di nanostrutture elicoidali in vetro di silice compreso nanosprings e nanoribbons è perseguito per i grandi simulazioni future MD nanomeccaniche. L'approccio generale prevede la creazione di una "massa" modello di vetro di silice MD come riportato in precedenza 18, e ritagliandosi varie nanostrutture elicoidali da questo campione "bulk" tramite due codici di calcolo robusti e adattabili sviluppati per questo scopo. Entrambe le procedure di calcolo offrono un modo distinto per creare nanoribbon e nanospring modelli con grande efficienza e dettaglio atomistico; queste strutture sono adatte per le simulazioni atomistiche larga scala.Inoltre, un'interfaccia utente grafica personalizzata viene utilizzata per facilitare la creazione e la visualizzazione delle strutture elicoidali.
La struttura del "bulk" modello di vetro di silice si crea inizialmente a temperatura ambiente. Simulazioni MD su larga scala sono condotti a tal fine con il Garofalini interatomico potenziale simile a studi precedenti 18, il che è relativamente efficiente computazionalmente e appropriato per grandi sistemi. La struttura "bulk" di vetro di silice iniziale è costituito da un modello cubico (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm) che contiene 192.000 atomi. Il "grosso" modello di vetro di silice viene equilibrato a 300 K per 0,5 nsec per ottenere lo stato iniziale con condizioni al contorno periodiche.
Due procedure di calcolo sono progettati e utilizzati per creare modelli nanoribbon silice e nanospring atomistiche. Il primo metodo consiste ritagliarsi nanoribbons silice dala struttura "bulk" utilizzando le equazioni parametriche che definiscono un'elica, e la sua geometria (passo, raggio dell'elica, e raggio fili). Questa procedura include l'utilizzo del linguaggio di programmazione AWK, il sistema operativo Linux e open-source software di visualizzazione 19. La procedura generale iterativa per creare modelli atomistici di nanoribbons comprende: (1) selezionando un atomo nel "bulk" modello di vetro di silice, (2) calcolare la distanza dall'atomo selezionato in un punto nello spazio su una funzione elicoidale predefinita, (3) confrontando questa distanza al raggio del nanoribbon desiderato, e (4) di eliminare o mantenere l'atomo in un modello di dati di output. Una descrizione dettagliata passo-passo per questo metodo è incluso nei codici scalabile Open Source supplementare materiali. Con questo metodo, più nanoribbons silice sono stati creati utilizzando passo diverso, raggio di valori elica e raggio nanoribbon, che sono valutate in seguitoper la precisione contro i valori dimensionali desiderati con l'analisi molecolare e software di visualizzazione 19-20. Modelli atomistica nanoribbons silice sono stati generati con geometrie funzionali (valori elevati di campo e bassi valori di raggio nanoribbon). Alcuni manufatti, costituito da atomi esclusi per errore, portando ad una superficie nanoribbon meno liscia, sono stati osservati a valori estremamente elevati raggio nanoribbon e valori estremamente bassi passo. Metodi simili sono stati utilizzati nel processo di creazione di nanofili silice 21-23.
Il secondo metodo qui presentato include stralcio nanosprings silice dalla struttura di silice "bulk" applicando metodi di screening preliminare per aumentare l'efficienza in aggiunta alle equazioni matematiche per un'elica. Questa procedura richiede la creazione di un codice C ++ più robusto per consentire una maggiore flessibilità nella modellazione di queste nanostrutture elicoidali. Il metodo iterativo di creare atomismodelli tic di nanosprings comprende: (1) eliminando tutti gli atomi garantiti esulare dalla traiettoria elicoidale, (2) selezionare deterministico un punto della traiettoria elicoidale, (3) confrontare tutti gli atomi all'interno di una distanza specifica a questo punto selezionato, e (4 ) di eliminare o la memorizzazione di ogni atomo in un modello di dati di output. Una descrizione step-by-step per questo metodo è anche incluso nei codici open-source scalabile Materiale supplementare. Con questo metodo, diversi modelli nanospring di silice sono stati ottenuti con varie dimensioni (raggio di fili, raggio di elica, e passo di nanospring) come illustrati nella Figura 1. nanospring modelli di silice ad alta precisione sono stati ottenuti in modo efficiente con questo metodo, senza evidenza di reperti trovati in estrema valori (alto e basso) passo per la nanospring. La creazione e l'utilizzo dell'interfaccia utente grafica per questo metodo è descritto nella sezione Protocollo.
Figura 1:. Una struttura elicoidale generale mostrando dimensioni caratteristiche, dove r, R e p rappresentano rispettivamente il raggio del filo, il raggio dell'elica, e pitch H indica l'altezza totale della struttura elicoidale 23.
Questo protocollo descrive come preparare i file NanospringCarver, in esecuzione MATLAB 24 su LINUX 25 PC, e utilizzare una interfaccia utente grafica per preparare modelli nanospring atomistico. Questi modelli non disponibili in precedenza servono da base per le dinamiche molecolari (MD) simulazioni 23 verso la ricerca l'innovazione dei materiali.
La procedura generale step-by-step per creare modelli nanospring atomistico comporta l'uso dei seguenti elementi: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) codice (open-acidoce in linguaggio C ++), (b) modello di vetro di silice di massa (file di input), (c) MATLAB interfaccia GUI e file correlati, e (d) del software MATLAB (versione 7) con una licenza locale su un PC Linux. Articoli da (a) - (c) di cui sopra (codice NanospringCarver, modello di vetro di silice, i file MATLAB GUI) sono scaricabili on-line 26 gratis. MATLAB (Matrix Laboratory) è un linguaggio di alto livello per il calcolo numerico, la visualizzazione e lo sviluppo di applicazioni da MathWorks 24, che è in gran parte utilizzato per la visualizzazione dei dati e l'analisi, l'elaborazione delle immagini, e la biologia computazionale.
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Protocol
1. Preparazione NanospringCarver file e avvio MATLAB su un PC Linux
Le seguenti operazioni sono progettati per un utente generico di utilizzare i file forniti linea 26.
- Scompattare l'archivio di file nanosprings.tar.gz nella "Home" o un'altra directory preferita.
- Scaricare l'archivio di file nanosprings.tar.gz dal repository web 26.
- Individuare l'archivio scaricato e spostarlo in una directory di lavoro preferito dal titolo "Documenti / nanosprings".
- Fare clic destro nanosprings.tar.gz e selezionare "Estrai qui" dal menu contestuale del tasto destro.
- Verificare che tutti i file necessari sono presenti nella directory corrente. Un elenco di questi file e il loro scopo segue:
Makefile - gestito manualmente il file di compilazione per nanosprings.cpp e Point.cpp
Nanospinterni rings.fig -MATLAB GUI
Codice Nanosprings.m -MATLAB GUI
Point.cpp - Point (Atom) definizione di classe
Point.h - Punto (atomo) di intestazione di classe
Carve - nanosprings stand-alone eseguibile
example.par - file di parametri esempio
glasscube.inp - file di dati glasscube
nanosprings.cpp - Codice nanosprings principale
nanosprings_diagram.jpg - esempio nanospring per la visualizzazione
nanosprings.cpp MATLAB-integrato - nanospringsmex.cpp
nanospringsmex.mexglx - nanosprings MATLAB-integrato eseguibile
Nota: L'utente dovrà creare il "nanospringsmex.mexglx" file eseguibile per la particolare macchina Linux in uso (versione a 32 bit in questo esempio). Se questo non è ancora stato fatto, verificare l'accesso alla "mex" compilatore MATLABdigitando sulla riga di comando "che mex" e verificare l'esistenza del programma. Verificare inoltre accesso al programma MATLAB digitando sulla riga di comando "che matlab". Tramite riga di comando digitare "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" creerà il file NanospringCarver "nanospringsmex.mexglx" eseguibile MATLAB-integrato, come indicato nelle istruzioni riportate di seguito. Anche se non richiesto per l'interfaccia grafica, se lo si desidera una versione stand-alone del programma NanospringCarver possono essere creati digitando "make" su una riga di comando. Questo compilerà il nanosprings.cpp e elementi del programma Point.cpp insieme per creare il "scolpire" il file eseguibile. In questo tutorial, il "glasscube.inp" il file contiene le informazioni di posizione per 192.000 silicio e atomi di ossigeno representin ga modello di vetro di silice, con ogni riga contenente un atomo di ID, tipo atomo, ed x, y, z coordinate per l'atomo. La prima riga del file è il conteggio totale dell'atomo (192.000). Le coordinate atomiche in questo file sono valori relativi, che, se moltiplicati per 0,716 rappresenterebbe distanze nanometriche. - Sul desktop, aprire una finestra di terminale. In molte versioni di Linux realizzare questo premendo contemporaneamente il tasto "Ctrl", i tasti "T" "Alt" e.
- Modificare la directory della cartella in cui i file di progetto nanosprings sono stati estratti digitando:
cd Documenti / nanosprings / - Quindi, eseguire il comando per compilare il binario per il sistema digitando:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Successivo avviare MATLAB MATLAB digitando sulla riga di comando
2. Modifica e utilizzo di una interfaccia utente grafica (GUI) per il Programma NanospringCarver
ove_content "> Seguire le istruzioni riportate di seguito utilizzando i file forniti on-line 26.- Aprire la guida in MATLAB facendo clic sull'icona GUIDE, in alto a sinistra dell'area della barra degli strumenti (figura 2), per visualizzare una nuova finestra con la Guida rapida (Figura 3).
Figura 2: Interfaccia utente MATLAB che mostra come aprire MATLAB GUIDA.
Figura 3: Interfaccia GUIDA MATLAB inizializzazione.
- Utilizzare la scheda "Apri GUI esistente" (Figura 4) per modificare un valore esistente. Fare clic sul pulsante "Sfoglia" per cercare la GUI esistentecifra da modificare. Dopo aver selezionato il file di figura (Nanosprings.fig, vedi riquadro blu), cliccare su "Apri" su entrambe le finestre per visualizzare una nuova finestra con la figura GUI. Individuare i pulsanti disponibili da utilizzare per la creazione GUI sul pannello di sinistra (figura 5).
Figura 4: Interfaccia GUIDA MATLAB che mostra come aprire un file esistente figura GUI.
Figura 5: interfaccia GUIDA MATLAB che mostra gli strumenti per la modifica di una figura grafica esistente.
- Per eseguire la GUI, cliccare su "Esegui" sotto la "Menu Strumenti ". Quindi fare clic su "Sì" quando una finestra pop-up chiede se salvare la cifra prima di eseguire. Una nuova finestra visualizza l'interfaccia grafica modificata.
- Se necessario, creare un altro GUI per un materiale specifico differente utilizzando questa interfaccia come un esempio.
- Per impostare la corsa esempio, prima cliccare sul tasto "Seleziona file del modello di input" nella parte superiore della GUI e passare al file "glasscube.inp". Selezionare il file e fare clic su "Apri" per chiudere la finestra di navigazione. Il file di input selezionato e il percorso per ora dovrebbero apparire nella finestra grafica a destra del pulsante "Selected file del modello di input" (Figura 6).
Figura 6: Schermata di utilizzare GUI per creare un esempio di silice modello nanospring.
- Quindi, utilizzare il pulsante "Sfoglia" nella sezione "Modello di uscita" per cercare e selezionare la directory dove salvare il modello in uscita. Assicurarsi che la directory di output è attivamente selezionato in modo che la corsa sia abilitato, anche se vi è una directory di output già elencato nella finestra di accompagnamento alla destra di questo pulsante.
Nota: Il valore "Advance parametri minimi Distanza" elencato (0.209311 in figura 6) è stato calcolato specificatamente per il file di input "glasscube.inp" fornite in questo esempio, e deve essere lasciato così com'è. Questo valore può essere calcolato come necessario, al primo utilizzo di un file di input diversa inserendo il valore "0" in questa posizione prima di eseguire il modello. In questo esempio, tutti i valori dei parametri sono in unità relative a corrispondere all'ingresso atomico sistema di coordinate. I valori dei parametri, se moltiplicato per 0,716 rappresenterebbero distanze nanometriche. </ Li> - Eseguire l'esempio utilizzando i parametri indicati molla di r = 1,0, R = 5.0, p = 1,5, d = 0,209,311 mila premendo il tasto GUI "Run". Guarda il feedback dalla pista nella finestra di MATLAB Command (Figura 7). Nel feedback, verificare che i parametri di primavera sono confermate, che il file di dati di input viene letto correttamente, ed i risultati memorizzati nel file di output denominato "modello" sono descritti.
Figura 7: finestra di feedback MATLAB Command da corsa nanosprings-based GUI.
Nota: Nell'esempio precedente, il "modello" file contiene 5176 atomi che compongono la primavera desiderato, uno per riga, con la prima linea contenente il numero totale di atominel file. Ogni riga definisce un atomo include l'ID atomo, tipo atomo, ed x, y, z coordinate di tale atomo.
- Una volta che l'interfaccia grafica è finalizzato, effettuare prove successive facendo clic destro su "Nanosprings.m" in MATLAB "Current Folder" finestra e selezionando "Esegui" per far apparire l'interfaccia grafica direttamente.
Nota: I vari riferimenti sono elencati 27-31 per ulteriori informazioni su MATLAB GUIDE e l'interfaccia di base GUIDE.
3. Verifica NanospringCarver risultati in un Visualizer Open-source 19
I seguenti passaggi sono progettati per un utente generico di visualizzare e verificare i modelli primavera di uscita creati da NanospringCarver.
- Utilizzare il NanospringCarver MATLAB GUI come descritto in precedenza per generare i file per l'ingresso nel programma di visualizzazione 19. Quando si esegue il programma di visualizzazione, utilizzare il "punto di coordinate file "opzione di ingresso, distinguere i tipi di atomi in base al colore, e selezionare un bordo di griglia assi per il campo.
- Misurare le distanze nei modelli primavera e fare un record di loro.
- Confronta i dati misurati contro quote della molla desiderate e verificarne la primavera precisione del modello.
4. Utilizzando Risultati NanospringCarver a trazione MD Simulazioni di nanosprings
Le seguenti operazioni sono sintetizzati per un utente generico di utilizzare i modelli primavera creati da NanospringCarver come input per un open-source convenzionale codice MD 32.
- Scarica l'ultima versione di open-source programma MD LAMMPS. Fare riferimento alla documentazione in linea associata per i manuali ed esempi.
- Determinare le dimensioni del modello nanospring desiderato per preparare il modello di vetro di silice massa iniziale del caso, come riportato prima del 18.
- Creare il modello nanospring desiderato utilizzando il NanospringCarver MATLAB GUI (v Sesopra 2 ction).
- Effettuare simulazioni di trazione sul nanospring desiderato, allungando il modello assialmente 11,13,23. Produrre un video rappresentativo di modello nanospring essere allungato (vedi figura 8, di seguito, e animato figura 1) per la visualizzazione e l'analisi. I risultati scientifici per quanto riguarda il comportamento sforzo-deformazione e la rigidità dei diversi modelli nanospring sotto tensione sono stati riportati altrove 23.
Figura 8: Schermata di una nanospring di silice durante la simulazione di trazione (vedi anche Animati Figura 1).
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Representative Results
I modelli nanoribbon atomistici creati con la prima procedura di calcolo (codice nanoribbons) e le loro dimensioni associate sono mostrati nella Figura 9. I modelli nanospring risultante utilizzando la seconda procedura di calcolo (codice nanosprings) e dimensioni associate sono mostrati in Figura 10.
Figura 9. Modello atomistica di un nanoribbon di silice con dimensioni desiderate: r (raggio nanoribbon) = 1.07 nm, R (raggio di elica) = 5.37 nm, e p (pitch) = 7.16 nm. Istantanee illustrano viste distinte della nanostruttura: (a) vista dall'alto, (b) vista laterale, (c) vista laterale con rotazione supplementare, e (d) - (f) viste diagonali. Il modello nanoribbon SiO 2 contiene 3354 atomi. L'altezza totale del nastro H è 14.1 nm 23.
Figura 10. Modello atomistica di un nanospring di silice con dimensioni specificate: r (raggio filo) = 1.07 nm, R (raggio di elica) = 4.29 nm, e p (pitch) = 4.29 nm. Istantanee mostrano diversi punti di vista del modello nanospring: (a) vista dall'alto, (b) vista laterale, (c) vista laterale con rotazione in avanti ulteriore, e (d) - (f) viste diagonali. Il modello nanospring SiO 2 è costituito da 21.246 atomi. L'altezza totale della molla H è 14.32 nm 23.
La gamma di nanoribbon e nanospring dimensioni generati con entrambi i codici era abbondante (r <3,75 nm, R <9 nm, e p <12,57 nm). Ognuno dei metodi di cui sopra offre un modo unico per creare nanosprings di silice e nanoribbons adatti persimulazioni atomistiche. Entrambi i metodi sono flessibili e possono essere adattate per produrre diverse strutture elicoidali indipendenti dal materiale, che li rende estremamente utile e versatile.
Figura animato 1 . Silice nanospring durante la simulazione di trazione.
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Discussion
Modifica del metodo originale per creare strutture nanohelical portato allo sviluppo di due codici distinti per consentire la creazione di entrambi nanoribbons e nanosprings da una massa di silice modello iniziale vetro MD. La verifica dei modelli nanoribbon silice e nanospring è stato perseguito utilizzando diversi pacchetti software 19-20, che hanno confermato la loro precisione dimensionale all'interno della capacità di misura dei programmi. Confronto tra nanosprings e nanoribbons è stata effettuata anche una sovrapposizione dei modelli di lati e angoli differenti, che portano a ulteriori verifiche della geometria. Entrambi i metodi computazionali sviluppati in questo progetto creato nanostrutture elicoidali in modo distinto, con un valore aggiunto per la loro scalabilità per essere utilizzato con qualsiasi modello di materiale sfuso dimensioni e potenziale impiego in strutture nanohelical modellazione di altri materiali. I modelli risultanti qui presentati hanno mostrato non ci sono artefatti rilevabili (untom manca dalla struttura nanohelical desiderato) generato utilizzando entrambi i metodi. Inoltre, i metodi di calcolo sviluppati in questo lavoro sono flessibili per la creazione di nanostrutture elicoidali destri o mancini, semplicemente invertendo l'ordine delle funzioni seno e coseno che definiscono l'elica. Le future applicazioni di questo metodo includeranno il ridimensionamento di strutture elicoidali più grandi che consentono la variazione parametro esteso, e l'esplorazione di utilizzo con diversi materiali iniziali.
Le limitazioni di questo metodo includono limitazioni dimensionali sulle nanohelices creati a seconda del modello di silice massa iniziale utilizzato, che può comportare notevoli risorse di calcolo, come le dimensioni del modello aumenta. Come attualmente implementato, l'altezza nanoribbon o nanospring estenderà alla dimensione del modello globale originale. Il primo metodo di calcolo genera modelli nanoribbon accurati per una serie di parametri quando il valore di campo è maggiore di7.16 nm e il raggio del filo elicoidale è superiore al 10% della dimensione più corta della struttura di vetro di silice "bulk". Il secondo metodo di calcolo genera modelli nanospring accurati senza limitazione parametro. Ciò è particolarmente importante per lo svolgimento di simulazioni MD in cui sono necessari prontamente disponibili modelli nanostrutturali atomistici per studiare le condizioni di diverse dimensioni.
Un punto critico del protocollo sarebbe verificare al primo utilizzo di un particolare modello di materiale sfuso MD iniziale che la distanza minima tra i due atomi vicini nel modello è stata determinata e ingresso correttamente con i parametri dimensionali. Inoltre, occorre prestare attenzione per assicurare che ha richiesto elicoidali dimensioni non superano le quote del modello di massa del materiale.
I progressi tecnologici hanno facilitato la creazione e caratterizzazione di nanostrutture elicoidali complessi come nanoribbons di ossido did nanosprings in laboratorio. Queste strutture a nanoscala hanno proprietà uniche che richiedono un'indagine approfondita al fine di realizzare il loro pieno potenziale per varie applicazioni. MD studi del comportamento meccanico di queste strutture elicoidali richiedono codici flessibili che possono creare con facilità e precisione nanostrutture elicoidali, e, successivamente, di utilizzare adeguatamente le potenzialità e metodi interatomiche per le simulazioni predittive. Per soddisfare questo primo requisito, i codici di modellazione strutturali accurati sono stati sviluppati che sarà utilizzato per le simulazioni di compressione MD su larga scala e validazione sperimentale.
Questo metodo di creazione di vetro di silice MD (non cristallina) modelli nanohelical è significativo, in quanto i codici similari non facilmente disponibili e altri approcci alternativi si sono concentrati su nanostrutture cristalline. Questo sforzo di modellizzazione è stato ampliato, con le nanostrutture risultanti utilizzati negli studi di simulazione MD, che hanno led ad una tesi incentrata sulla risposta elastica di nanohelices vetro di silice sotto carichi di trazione 23. Simulazione in tempo-efficiente di nanostrutture è un problema difficile, ma le nuove tecniche di programmazione e modelli atomistici sono particolarmente diventando importante per gli studi di previsione. Questa tecnica di modellazione sta rapidamente guadagnando interesse e diventando rapidamente un metodo efficiente per i modelli che richiedono alte prestazioni di calcolo. Sforzi accademici futuri probabilmente comprenderanno l'adeguamento di questi codici per la formazione di ricercatori computazionali e in esercitazioni in aula. Esecuzione di simulazioni MD per studiare la risposta di strutture elicoidali a diverse condizioni di carico è certamente fattibile con questi modelli atomistici robusti. Il successo della produzione futura utilizzando queste nanostrutture come blocchi di costruzione dipenderà dalla comprensione della loro struttura e delle proprietà, con implicazioni sui processi nanomanipolazione e di auto-assemblaggio. Questa Lavorosa passo verso la comprensione del comportamento meccanico di tali nanostrutture mediante simulazioni MD larga scala, che possono essere potenzialmente utili per progettare nanodispositivi per un gran numero di applicazioni.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
Gli autori vogliono ringraziare Tim Allis alla UC Merced per la sua assistenza in questo progetto. Il programma NSF-MONETE a UCM supportato (KAM) in una prima parte di questo lavoro. Un premio NSF-Brige supportato co-autori (BND e KAM), fornendo i fondi per questo lavoro e le spese di viaggio per le conferenze.
Il gruppo di ricerca desidera ringraziare in primo luogo la National Science Foundation per il finanziamento di questo lavoro attraverso un premio Brige. Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla National Science Foundation sotto Grant No 1.032.653.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MATLAB numerical computing software | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html | See Protocol Introduction and Reference [24] |
| NanospringCarver program code and files | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| MATLAB GUI files | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| Atomistic bulk glass input file | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| IFrIT visualization software | Open source software | http://sites.google.com/site/ifrithome/ | See Protocol Section 3 and Reference [19] |
| LAMMPS molecular dynamics software | Open source software | http://lammps.sandia.gov/ | See Protocol Section 4 and Reference [32] |
References
- Gao, P. X., et al. Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices. Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).
- McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G.
- He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
- Cammarata, R. C., Sieradzki, K.
- Becker, N., et al. Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).
- Singh, J. P., Liu, D. -L., Ye, D. -X., Picu, R. C., Lu, T. -M., Wang, G. -C. Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators. Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).
- Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe. Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).
- Dobrokhotov, V., et al.
- Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy. , 19 (2010).
- Sai, V. V. R., et al. Silica nanosprings coated with noble metal nanoparticles: highly active SERS substrates. J. Phys. Chem. C. 115 (2), 453-459 (2010).
- Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D.
- Zhang, G., Zhao, Y.
- Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D.
- Mohedas, I., Garcia, A. P., Buehler, M. J. Nanomechanics of biologically inspired helical silica nanostructures. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: J. Nanoengineering and Nanosystems. 224 (3), 93-100 (2010).
- Chang, I. L., Yeh, M. -S.
- Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
- Chen, X., et al.
- Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).
- Nick Gnedin’s Ionization FRont Interactive Tool (IFrIT) v. 3.2.8 - A general purpose visualization software [Internet]. , Nick Gnedin. Chicago, IL. Available from: https://sites.google.com/site/ifrithome/ (2013).
- Accelrys Inc. Materials Studio Overview [Internet]. , U.S.A. Accelrys. Available from: http://accelrys.com/products/materials-studio (2013).
- Silva, E. C. C. M., Tong, L., Yip, S., Van Vliet, K. J. Size effects on the stiffness of silica nanowires. Small. 2 (2), 239-243 (2006).
- Dávila, L. P., Leppert, V. J., Bringa, E. M. The mechanical behavior and nanostructure of silica nanowires via simulations. Scripta Mater. 60 (10), 843-846 (2009).
- Doblack, B. N. The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems [thesis]. , University of California Merced. Merced, CA. 55-55 (2013).
- MathWorks. MATLAB Overview [Internet]. , Mathworks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html (2013).
- Linux homepage [Internet]. , Linux. U.S.A.. Available from: http://www.linux.org (2013).
- Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
- Blinkdagger - An Engineering and MATLAB blog [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2014).
- MathWorks. Introduction to MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/about-the-simple-guide-gui-example.html (2014).
- MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2013).
- MathWorks. Lay out the simple GUI in MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/lay-out-the-simple-gui-in-guide.html (2013).
- MathWorks. Add components to the MATLAB GUIDE layout area [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html (2013).
- LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code [Internet]. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2013).
