方法文章

可扩展的纳米螺旋结构用于预测性研究与增强的三维可视化

DOI：

10.3791/51372

⸱

2014年11月12日

 ,  ,  , 
1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced, 2Computer Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced

本文内容

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摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

准确模拟纳米螺旋结构对于推动新型纳米技术应用的预测性仿真研究至关重要。  目前，软件包和代码在构建原子级螺旋模型方面存在局限性。  我们提出了两种用于构建原子级纳米螺旋模型的模拟方法，并提供了一个图形界面，以通过可视化手段增强研究能力。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

弹簧状材料在自然界中普遍存在，并在纳米技术中具有重要应用价值，可用于能量收集、氢气存储和生物传感等领域。  为了实现可预测的模拟，准确建模纳米螺旋结构变得日益重要。  为了研究局部结构对这些复杂几何形貌性能的影响，必须建立真实可靠的模型。  迄今为止，现有的软件包在构建原子级螺旋模型方面仍相当有限。  本研究聚焦于为分子动力学（MD）模拟生成原子级的二氧化硅玻璃（SiO2）纳米带和纳米弹簧模型。基于“体相”二氧化硅玻璃的MD模型，本文提出了两种计算方法，用于精确构建纳米带和纳米弹簧的形状。  第一种方法采用AWK编程语言和开源软件，通过设定目标尺寸和螺旋参数方程，从初始体相模型中高效地切割出各种形状的二氧化硅纳米带。  利用该方法，可针对不同螺距和尺寸参数生成精确的原子级二氧化硅纳米带。  第二种方法涉及一个更为强大的代码系统，可在建模纳米螺旋结构时提供更高的灵活性。  该方法采用专门编写的C++代码，集成了预筛选算法以及螺旋的数学方程，从而在构建纳米弹簧模型时实现更高的精度和效率。  利用这些代码，可高效地生成结构明确且可扩展的纳米带和纳米弹簧模型，适用于原子级模拟。  这两个开源代码的附加价值在于，它们可被修改以复现不同类型的螺旋结构，且不受材料种类限制。  此外，还使用MATLAB图形用户界面（GUI）增强可视化与交互功能，帮助普通用户更好地理解原子级螺旋结构，促进学习与应用。  这些方法的一个应用实例是近期通过分子动力学模拟研究纳米螺旋结构在机械能量收集方面的性能。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

螺旋纳米结构通常在实验室中采用化学气相沉积技术制备1-2，同时文献中也报道了新的制备方法3。特别是纳米弹簧和纳米带因其独特的性质以及在传感器、光学、机电和流体器件中的广阔应用前景而受到广泛研究4-7。已有报道的合成方法可制备二氧化硅（SiO2）纳米带，使这些结构成为构建多级体系的潜在基本单元。新型三维二氧化硅纳米弹簧的合成进一步拓展了其应用范围，例如涂覆氧化锌（ZnO）8后可用于化学电阻型传感器，或结合纳米颗粒用于诊断应用9-10。

关于二氧化硅纳米弹簧和纳米带力学性能的实验研究较为稀少，这主要归因于当前在操控和测试方法及设备方面的局限性。已有文献通过理论和模拟方法报道了对纳米结构和纳米弹簧纳米力学的研究11-14。一些模拟研究13聚焦于非晶态纳米弹簧的纳米力学行为，因为模拟能够探索实验手段尚难以完全触及的物理机制。文献中已有关于金属纳米弹簧的原子级研究，用于探究弹性性能的尺寸依赖性15，以及近期对螺旋状晶态二氧化硅纳米结构纳米力学的研究14。 针对纳米弹簧结构的实验测试也在其他材料体系中开展，例如螺旋碳纳米结构和碳纳米线圈16-17。尽管目前已积累了部分知识，但为了推动未来纳米器件的制备工作，仍需对这些新型纳米结构的力学性能获得更全面的理解。

由于关于二氧化硅玻璃（非晶态二氧化硅）纳米螺旋的分子动力学（MD）研究仍然十分有限，此类结构的原子尺度建模需要开发定制化的程序代码。根据近期文献检索，目前尚未发现其他可用于构建二氧化硅玻璃螺旋MD模型的方法。本研究采用自下而上的方法，对包括纳米弹簧和纳米带在内的螺旋状二氧化硅玻璃纳米结构进行原子级建模，以用于未来的大型分子动力学纳米力学模拟。该方法首先构建一个此前已报道过的MD“体相”二氧化硅玻璃模型18，然后通过为此专门开发的两个高效且可调的计算机程序，从该“体相”样品中切割出各种螺旋纳米结构。这两种计算流程各自提供了一种独特的方式，能够高效且精细地构建纳米带和纳米弹簧模型，所得结构适用于大规模原子级模拟。此外，还使用了一个定制的图形用户界面，以辅助螺旋结构的构建与可视化。

“块体”二氧化硅玻璃模型的结构最初在室温下构建。为此目的，采用与先前研究类似的Garofalini原子间势函数进行大规模分子动力学（MD）模拟18，该势函数在计算上相对高效，适用于大尺度体系。初始的“块体”二氧化硅玻璃结构包含一个立方模型（14.3 × 14.3 × 14.3 nm3），共含有192,000个原子。该“块体”二氧化硅玻璃模型在300 K下使用周期性边界条件弛豫0.5纳秒，以获得初始平衡状态。

设计并采用了两种计算方法来构建原子级二氧化硅纳米带和纳米弹簧模型。第一种方法涉及使用定义螺旋线的参数方程及其几何参数（螺距、螺旋半径和线丝半径），从“体相”结构中切割出二氧化硅纳米带。该过程包括使用AWK编程语言、LINUX操作系统以及开源可视化软件19。构建纳米带原子模型的一般迭代步骤包括：（1）在“体相”二氧化硅玻璃模型中选择一个原子；（2）计算所选原子与预定义螺旋函数上某空间点之间的距离；（3）将该距离与目标纳米带的半径进行比较；（4）决定是否在输出数据模型中保留或舍弃该原子。该方法的详细逐步说明包含在可扩展开源代码补充材料中。利用此方法，通过不同的螺距、螺旋半径和纳米带半径值构建了多个二氧化硅纳米带，并随后使用分子分析与可视化软件19-20将其实际尺寸与目标尺寸进行比对以验证准确性。生成了具有功能性几何特征（高螺距值和低纳米带半径值）的二氧化硅纳米带原子模型。在纳米带半径值极高而螺距值极低的情况下，观察到一些由原子误删导致的伪影，表现为纳米带表面不够平滑。类似的方法此前已被用于构建二氧化硅纳米线21-23。

本文介绍的第二种方法包括通过预筛选方法提高效率，并结合螺旋线的数学方程，从“整体”二氧化硅结构中切割出二氧化硅纳米弹簧。该方法需要编写更强大的 C++ 代码，以在建模这些螺旋纳米结构时提供更大的灵活性。构建纳米弹簧原子级模型的迭代方法包括：（1）剔除所有确定位于螺旋路径之外的原子，（2）确定性地选择螺旋路径上的一个点，（3）比较该选定点特定距离范围内的所有原子，以及（4）将每个原子判断为舍弃或存入输出数据模型中。该方法的逐步说明也包含在可扩展开源代码补充材料中。利用该方法，获得了多个具有不同尺寸（线半径、螺旋半径和纳米弹簧螺距）的二氧化硅纳米弹簧模型，如图1所示。该方法高效地获得了高精度的二氧化硅纳米弹簧模型，在纳米弹簧的极端（低值和高值）螺距条件下均未发现伪影。该方法的图形用户界面的创建与使用在实验方案部分中进行了描述。

用于研究分子几何的螺旋结构示意图，参数包括 H、R、r 和 p。
图 1： 通用螺旋结构示意图，显示其特征尺寸，其中 r、R 和 p 分别表示导线半径、螺旋半径和螺距。H 表示螺旋结构的总高度23。

本方案介绍了如何准备NanospringCarver文件，在LINUX24 PC上运行MATLAB25，并使用图形用户界面构建原子级纳米弹簧模型。这些此前无法获得的模型可作为新型分子动力学（MD）模拟23的基础，推动材料创新研究。

构建原子级纳米弹簧模型的通用逐步操作流程包括使用以下要素：（a）NanospringCarver（0.5 测试版）代码（以 C++ 语言编写的开源程序），（b）体相二氧化硅玻璃模型（输入文件），（c）MATLAB 图形用户界面（GUI）及相关文件，以及（d）在 LINUX 计算机上使用本地许可证的 MATLAB 软件（版本 7）。上述项目（a）至（c）（即 NanospringCarver 代码、二氧化硅玻璃模型、MATLAB GUI 文件）均可免费在线下载26。MATLAB（Matrix Laboratory）是由 MathWorks 公司开发的一种用于数值计算、可视化和应用程序开发的高级语言24，广泛应用于数据可视化与分析、图像处理以及计算生物学领域。

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方案

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1. 准备NanospringCarver文件并在LINUX电脑上启动MATLAB

以下步骤旨在帮助普通用户利用在线提供的文件26。

  1. 将 nanosprings.tar.gz 文件解压至“Home”目录或其它首选目录。
    1. 从网络资源库26下载 nanosprings.tar.gz 文件压缩包。
    2. 找到已下载的压缩包，并将其移至名为“Documents/Nanosprings”的首选工作目录。
    3. 右键单击 nanosprings.tar.gz，然后从右键上下文菜单中选择“在此处解压”。
  2. 确认当前目录中包含所有必需的文件。以下列出这些文件及其用途：
    Makefile – 用于 nanosprings.cpp 和 Point.cpp 的手动管理编译文件
    Nanosprings.fig – MATLAB GUI 内部文件
    Nanosprings.m – MATLAB GUI 代码
    Point.cpp – Point（原子）类定义
    Point.h – Point（原子）类头文件
    carve – 独立运行的 nanosprings 可执行文件
    example.par – 示例参数文件
    glasscube.inp – glasscube 数据文件
    nanosprings.cpp – 主要的 nanosprings 代码
    nanosprings_diagram.jpg – 用于显示的示例纳米弹簧图像
    nanospringsmex.cpp – 与 MATLAB 集成的 nanosprings.cpp
    nanospringsmex.mexglx – 与 MATLAB 集成的 nanosprings 可执行文件
    注意： 用户需要为所使用的特定 Linux 机器创建“nanospringsmex.mexglx”可执行文件（本示例为 32 位版本）。如果尚未完成此操作，请在命令行输入“which mex”以确认是否可访问 MATLAB 的“mex”编译器，并验证程序是否存在；同时在命令行输入“which matlab”以确认是否可访问 MATLAB 程序。在命令行输入“mex nanospringsmex.cpp Point.cpp”将生成与 MATLAB 集成的“nanospringsmex.mexglx”可执行文件 NanospringCarver，具体操作如下文所示。尽管对于 GUI 界面并非必需，但如需创建 NanospringCarver 程序的独立版本，可在命令行输入“make”命令，该命令将把 nanosprings.cpp 和 Point.cpp 程序模块编译组合，生成名为“carve”的可执行文件。在本教程中，“glasscube.inp”文件包含代表二氧化硅玻璃模型的 192,000 个硅原子和氧原子的位置信息，每行包含一个原子 ID、原子类型以及该原子的 x、y、z 坐标。文件第一行为总原子数（192,000）。该文件中的原子坐标为相对值，若乘以 0.716，则表示以纳米为单位的距离。
  3. 在桌面上打开一个终端窗口。在许多 LINUX 版本中，可通过同时按下“Ctrl”、“Alt”和“T”键实现。
  4. 通过输入以下命令，将当前目录更改为 nanosprings 项目文件解压所在的文件夹：
    cd Documents/Nanosprings/
  5. 接下来，输入以下命令以编译系统所需的二进制文件：
    mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. 然后在命令行输入 matlab 以启动 MATLAB

2. 修改和使用 NanospringCarver 程序的图形用户界面（GUI）

使用在线提供的文件，按照以下步骤操作26。

  1. 通过点击 MATLAB 左上角工具栏区域的 GUIDE 图标（图 2），打开 MATLAB 中的 GUIDE，以显示包含 GUIDE 快速入门的新窗口（图 3）。

MATLAB 工作区界面；代码文件管理与分析设置；对编程具有指导意义。
图 2：MATLAB 用户界面，展示如何打开 MATLAB GUIDE。

软件应用程序窗口中带有文件资源管理器和代码编辑器的图形用户界面开发界面。
图3：MATLAB GUIDE 接口初始化。

  1. 使用“打开现有 GUI”选项卡（图 4）来修改现有的图形界面。点击“浏览”按钮，查找需要修改的现有 GUI 图形文件。选择图形文件（Nanosprings.fig，见蓝色框）后，点击两个窗口中的“打开”，以显示包含 GUI 图形的新窗口。在左侧面板中找到可用于 GUI 创建的按钮（图 5）。

用于打开 .fig 文件的 MATLAB GUI 设置；用于数据可视化或分析的软件界面。
图 4： MATLAB GUIDE 界面，展示如何打开现有的 GUI 图形文件。

纳米弹簧建模软件界面；输入导线半径和螺旋参数，选择模型文件。
图 5： MATLAB GUIDE 界面，显示用于修改现有 GUI 图形的工具。

  1. 为了运行图形用户界面（GUI），请在“工具”菜单下点击“运行”。随后，当弹出窗口提示是否在运行前保存图形时，点击“是”。此时将显示一个新窗口，展示已修改的 GUI。
  2. 如有需要，可参考此 GUI 创建另一个针对不同特定材料的图形用户界面。
  3. 为设置示例运行，首先点击 GUI 顶部的“选择输入模型文件”按钮，并导航至“glasscube.inp”文件。选择该文件后，点击“打开”以关闭浏览窗口。所选的输入文件及其路径此时应显示在 GUI 窗口中“所选输入模型文件”按钮右侧（图6）。

纳米弹簧模拟软件界面；参数：线半径、螺旋半径、螺距图。
图6：使用图形用户界面创建二氧化硅纳米弹簧模型示例的截图。

  1. 接下来，在“输出模型”部分使用“浏览”按钮，浏览并选择用于保存输出模型的目录。请确保已选中输出目录，否则即使该按钮右侧的窗口中已列出输出目录，运行仍无法启用。
    注意：图6中列出的“高级参数最小距离”值（0.209311）是针对本示例提供的输入文件“glasscube.inp”专门计算得出的，应保持不变。当首次使用不同的输入文件时，可通过在此处输入“0”值来重新计算该参数。本示例中所有参数值均以相对单位表示，以匹配输入的原子坐标系。若将参数值乘以0.716，则可转换为纳米单位的距离。
  2. 通过点击图形用户界面（GUI）中的“运行”按钮，使用给定的弹簧参数 r = 1.0、R = 5.0、p = 1.5 和 d = 0.209311 运行示例。在 MATLAB 命令窗口中查看运行反馈信息（图7）。在反馈信息中，请确认弹簧参数已正确加载，输入数据文件已成功读取，并且结果已保存至名为“model”的输出文件中。

MATLAB 数据处理日志、纳米弹簧模拟参数、计算结果、命令窗口。
图 7： 基于图形用户界面运行纳米弹簧模拟时 MATLAB 命令窗口的反馈信息。

注意：在上述示例中，文件“model”包含组成目标弹簧的 5,176 个原子，每个原子占一行，第一行为文件中原子的总数。每一行定义一个原子，包括原子 ID、原子类型以及该原子的 x、y、z 坐标。

  1. 当GUI界面最终确定后，通过在MATLAB“当前文件夹”窗口中右键单击“Nanosprings.m”，然后选择“运行”，即可直接启动GUI界面。
    注意：有关MATLAB GUIDE及基本GUIDE界面的更多信息，可参考文献27-31。

3. 在开源可视化工具中验证 NanospringCarver 结果19

以下步骤旨在帮助普通用户可视化并验证由 NanospringCarver 生成的弹簧模型输出。

  1. 按照上述方法使用 NanospringCarver MATLAB 图形用户界面生成用于可视化程序输入的文件19。运行可视化程序时，选择“点坐标文件”输入选项，通过颜色区分原子类型，并为视场选择坐标轴网格边框。
  2. 测量弹簧模型中的距离，并记录测量结果。
  3. 将测量数据与期望的弹簧尺寸进行比较，验证弹簧模型的准确性。

4. 使用 NanospringCarver 进行纳米弹簧的分子动力学拉伸模拟

以下步骤概述了普通用户如何将 NanospringCarver 创建的弹簧模型作为输入，用于传统的开源分子动力学（MD）代码32。

  1. 下载开源分子动力学程序 LAMMPS 的最新版本。有关手册和示例，请参考其在线文档。
  2. 确定所需纳米弹簧模型的尺寸，以准备合适的初始块体二氧化硅玻璃模型，方法如前所述18。
  3. 使用 NanospringCarver MATLAB 图形用户界面创建所需的纳米弹簧模型（见上述第 2 节）。
  4. 对所需的纳米弹簧进行拉伸模拟，通过轴向拉伸模型来实现11,13,23。生成纳米弹簧模型拉伸过程的代表性视频（见下文图 8及动画图 1），用于可视化和分析。关于多种纳米弹簧模型在拉伸条件下的应力-应变行为和刚度的科学研究结果已在其他文献中报道23。

3D蛋白结构；分子建模图；计算生物学分析。
图8： 二氧化硅纳米弹簧在拉伸模拟过程中的截图（另见动画图1）。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

通过第一种计算程序（纳米带代码）构建的原子级纳米带模型及其相应尺寸如图9所示。利用第二种计算程序（纳米弹簧代码）生成的纳米弹簧模型及其相应尺寸如图10所示。

展示数学几何中六种变化的分形图案示意图。
图9. 具有所需尺寸的二氧化硅纳米带的原子级模型：r（纳米带半径）= 1.07 nm，R（螺旋半径）= 5.37 nm，以及 p（螺距）= 7.16 nm。快照展示了该纳米结构的不同视图：(a) 顶视图，(b) 侧视图，(c) 附加旋转后的侧视图，以及 (d)-(...

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

对原始方法进行改进以构建纳米螺旋结构，由此开发出两种不同的代码，可从初始的体相二氧化硅玻璃分子动力学模型出发，生成纳米带和纳米弹簧结构。  通过使用不同的软件包19-20对二氧化硅纳米带和纳米弹簧模型进行了验证，确认其尺寸精度在程序的测量能力范围内。  还通过从不同侧面和角度叠加模型，对纳米弹簧与纳米带进行了比较，进一步实现了几何结构的验证。  本项目开发的两种计算方法以不同的方式生成螺旋纳米结构，其附加价值在于可扩展用于任意尺寸的体相材料模型，并具备用于模拟其他材料来源的纳米螺旋结构的潜力。  本文展示的结果表明，使用任一方法均未产生可检测到的伪影（即目标纳米螺旋结构中缺失的原子）。  此外，本研究开发的计算方法在生成右手螺旋或左手螺旋纳米结构方面具有灵活性，仅需反转定义螺旋的正弦和余弦函数的顺序即可实现。  该方法未来的应用将包括扩展至更大的螺旋结构，以实现更广泛的参数变化，并探索其在不同初始材料中的应用。

该方法的局限性包括所构建的纳米螺旋结构的尺寸受限于所采用的初始块体二氧化硅模型，且随着模型...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者感谢加州大学默塞德分校的 Tim Allis 在本项目中的协助。  加州大学默塞德分校的 NSF-COINS 项目在本研究早期阶段为 (KAM) 提供了支持。  一项 NSF-BRIGE 奖项支持了合著者 (BND 和 KAM)，为本研究以及参加学术会议的差旅费用提供了资金。

研究团队首要感谢美国国家科学基金会通过BRIGE奖项对本工作的资助。  本材料基于美国国家科学基金会在资助号1032653下支持的工作。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
MATLAB 数值计算软件Mathworkshttp://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html参见实验方案引言部分及参考文献[24]
NanospringCarver 程序代码与文件加州大学默塞德分校 - 开源http://tinyurl.com/qame8dj参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]
MATLAB GUI 文件加州大学默塞德分校 - 开源http://tinyurl.com/qame8dj参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]
原子级块体玻璃输入文件加州大学默塞德分校 - 开源http://tinyurl.com/qame8dj参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]
IFrIT 可视化软件开源软件http://sites.google.com/site/ifrithome/参见实验方案第3节及参考文献[19]
LAMMPS 分子动力学软件开源软件http://lammps.sandia.gov/参见实验方案第4节及参考文献[32]

参考文献

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勘误

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Formal Correction: Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

A correction was made to Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. Online article is missing its 29th author reference.

The reference section has added:

29. MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. [Massachusetts]: MathWorks; [cited 2013 May 30]. Available from: http:// www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2014).

标签

AWK C MATLAB

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