Name: 可扩展的Nanohelices的预测研究和增强的3D可视化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-11-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 3 s
Description: 学习使用开源分子动力学软件创建纳米弹簧和纳米带原子模型的计算方法。该方法通过MATLAB图形界面生成可扩展的螺旋纳米结构，并利用可视化工具验证模型，为材料创新研究提供可靠的模拟基础。

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作者感谢加州大学默塞德分校的 Tim Allis 在本项目中的协助。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。

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。
<ol>
	<li>将 nanosprings.tar.gz 文件解压至“Home”目录或其它首选目录。
	<ol>
		<li>从网络资源库26下载 nanosprings.tar.gz 文件压缩包。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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”。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确认当前目录中存在所有必需的文件。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”以验证是否可以访问 MATLAB 的“mex”编译器，并确认程序存在。同时在命令行输入“which matlab”以验证是否可以访问 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”。该命令将把 nanosprings.cpp 和 Point.cpp 程序模块一起编译，生成“carve”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，每一行包含一个原子 ID、原子类型以及该原子的 x、y、z 坐标。文件的第一行为总原子数（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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>通过输入以下命令，将目录更改为 nanosprings 项目文件解压所在的文件夹： 
	cd Documents/Nanosprings/</li>
	<li>接下来，输入以下命令以编译系统的二进制文件： 
	mex nanospringsmex.cpp Point.cpp</li>
	<li>然后在命令行输入 matlab 以启动 MATLAB</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>通过点击 MATLAB 顶部左侧工具栏区域的 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）。</li>
</ol>
<img alt="MATLAB 界面；代码编辑、文件管理；编程、数据分析、计算。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig2highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2：MATLAB 用户界面，展示如何打开 MATLAB GUIDE。
<img alt="图形用户界面软件界面，MATLAB GUIDE，空白GUI创建，用户界面设置，编程环境。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig3highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3：MATLAB GUIDE 接口初始化。
<ol start="2">
	<li>使用“打开现有图形用户界面”选项卡（图4）来修改现有的图形。点击“浏览”按钮，查找要修改的现有图形用户界面文件。选择图形文件（Nanosprings.fig，见蓝色框）后，点击两个窗口中的“打开”按钮，以显示包含该图形用户界面的新窗口。在左侧面板上找到可用于创建图形用户界面的按钮（图5）。</li>
</ol>
<img alt="用于加载Nanosprings.fig的MATLAB GUI设置，重点展示界面导航和文件选择。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig4highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4： MATLAB GUIDE界面，展示如何打开现有的GUI图形文件。
<img alt="用于纳米弹簧建模的图形用户界面设计，显示参数输入、模型选择和输出目录设置。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig5highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
图 5： MATLAB GUIDE 界面，显示用于修改现有 GUI 图形的工具。
<ol start="3">
	<li>为了运行图形用户界面（GUI），在“Tools”菜单下点击“Run”。当弹出窗口提示是否在运行前保存图形时，点击“Yes”。随后将显示一个新窗口，展示修改后的图形用户界面.</li>
	<li>如有需要，可参考此图形用户界面，为其他特定材料创建另一个图形用户界面。</li>
	<li>要设置示例运行，首先点击图形用户界面上方的“Select input model file”按钮，浏览至“glasscube.inp”文件。选择该文件后点击“Open”以关闭浏览窗口。所选的输入文件及其路径此时应显示在图形用户界面中“Selected input model file”按钮右侧的位置（图6）。</li>
</ol>
<img alt="纳米弹簧设计软件界面示意图，显示用于建模的螺旋参数（R, r, p）" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig6highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
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。
<ol start="6">
	<li>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）是针对本示例中提供的输入文件“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”来重新计算该值。在本示例中，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，则可转换为纳米距离。</li>
	<li>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 = .209311 运行示例。在 MATLAB 命令窗口中查看运行反馈（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。</li>
</ol>
<img alt="显示数据点存储、delta-t 优化和纳米弹簧建模的 MATLAB 命令行窗口。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig7highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 7"> 
图 7： 基于图形用户界面运行纳米弹簧时 MATLAB 命令行窗口的反馈信息。
注意：在上述示例中，文件“model”包含 5,176 个原子，构成所需的弹簧结构，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。
<ol start="8">
	<li>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”，即可连续执行程序并直接启动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。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>按照上述方法使用 NanospringCarver MATLAB 图形用户界面生成可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。</li>
	<li>测量弹簧模型中的距离，并记录测量结果。</li>
	<li>将测量数据与预期的弹簧尺寸进行比较，验证弹簧模型的准确性。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>确定所需纳米弹簧模型的尺寸，以准备合适的初始体相二氧化硅玻璃模型，方法如前所述18。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。有关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。</li>
</ol>
<img alt="蛋白质折叠的三维结构、分子生物学模拟、可视化模型。" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig8highres.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图8"> 
图8： 二氧化硅纳米弹簧在拉伸模拟过程中的截图（另见动态图1）。

<ol><li>Gao, P. X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+zinc+oxide+nanobelts+into+superlattice-structured+nanohelices%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices.</a> Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).</li>
<li>McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanosprings.</a> Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).</li>
<li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multilayered+Si%2FNi+nanosprings+and+their+magnetic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties.</a> Small. 3 (1), 153-160 (2007).</li>
<li>Cammarata, R. C., Sieradzki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+and+interface+stresses%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface and interface stresses.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).</li>
<li>Becker, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+nanosprings+in+spider+capture-silk+threads%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Molecular nanosprings in spider capture-silk threads.</a> Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).</li>
<li>Singh, J. P., Liu, D. -L., Ye, D. -X., Picu, R. C., Lu, T. -M., Wang, G. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal-coated+Si+springs%3A+nanoelectromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators.</a> Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).</li>
<li>Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanotopographical+imaging+using+a+heated+atomic+force+microscope+cantilever+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Sens.+Actuators+A-Phys%22%5BJournal%5D)">Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe.</a> Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).</li>
<li>Dobrokhotov, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ZnO+coated+nanospring-based+chemiresistors%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">ZnO coated nanospring-based chemiresistors.</a> J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).</li>
<li>Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSai%2C+VVR+%22Nanotechnology+2010%3A+Bio+Sensors%2C+Instruments%2C+Medical%2C+Environment+and+Energy%22">Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy</a>. , 19(2010).</li>
<li>Sai, V. V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica+nanosprings+coated+with+noble+metal+nanoparticles%3A+highly+active+SERS+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Silica nanosprings coated with noble metal nanoparticles: highly active SERS substrates.</a> J. Phys. Chem. C. 115 (2), 453-459 (2010).</li>
<li>Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of nanosprings.</a> Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).</li>
<li>Zhang, G., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+characteristics+of+nanoscale+springs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Mechanical characteristics of nanoscale springs.</a> J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).</li>
<li>Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+amorphous+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of amorphous nanosprings.</a> Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).</li>
<li>Mohedas, I., Garcia, A. P., Buehler, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomechanics+of+biologically+inspired+helical+silica+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+N%3A+J.+Nanoengineering+and+Nanosystems%22%5BJournal%5D)">Nanomechanics of biologically inspired helical silica nanostructures.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: J. Nanoengineering and Nanosystems. 224 (3), 93-100 (2010).</li>
<li>Chang, I. L., Yeh, M. -S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+atomistic+study+of+nanosprings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">An atomistic study of nanosprings.</a> J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).</li>
<li>Poggi, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+compression+of+a+carbon+nanospring%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Measuring the compression of a carbon nanospring.</a> Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).</li>
<li>Chen, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+a+carbon+nanocoil%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanics of a carbon nanocoil.</a> Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).</li>
<li>Dávila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li>
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 <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2014).</li>
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 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html">http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html</a> (2013).</li>
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</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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）。&#160; 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。&#160; 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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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).

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Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

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分级系统的潜在基本单元。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，主要受限于当前操作和测试方法及设备的不足。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，因其能够探索实验手段尚难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。尽管目前已积累了一定的认识，但为了推动未来纳米器件的制备，仍需更全面地理解这些新型纳米结构的力学特性。
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尺度建模，以用于未来的大型分子动力学纳米力学模拟。该方法总体上首先构建一个MD“体相”二氧化硅玻璃模型（如先前报道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；这些结构适用于大规模原子模拟。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平衡0.5纳秒，以获得初始状态。
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、螺旋半径和线材半径），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）计算所选原子到预定义螺旋函数上某空间点的距离；（3）将该距离与目标纳米带的半径进行比较；（4）决定是否将该原子保留在输出数据模型中。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参数进行比对以验证准确性。成功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。在纳米带半径极大而螺距极小的情况下，观察到一些由原子误删导致的缺陷，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，并结合螺旋的数学方程，从“块体”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。创建原子级纳米弹簧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；（4）将每个原子在输出数据模型中保留或剔除。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，获得了多种不同尺寸（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方案部分中进行了描述。
<img alt="显示半径和螺距标注的螺旋结构示意图，用于分子建模分析。" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig1highres.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1： 一种通用的螺旋结构，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为新型分子动力学（MD）模拟23提供基础，推动材料创新研究。
构建原子级纳米弹簧模型的一般逐步操作流程包括使用以下要素：（a）NanospringCarver（0.5 测试版）代码（C++ 语言的开源程序），（b）体相二氧化硅玻璃模型（输入文件），（c）MATLAB 图形用户界面及相关文件，以及（d）在 LINUX 电脑上使用本地授权的 MATLAB 软件（版本 7）。上述项目（a）–（c）（NanospringCarver 代码、二氧化硅玻璃模型、MATLAB 图形用户界面文件）均可免费在线下载26。MATLAB（矩阵实验室）是由 MathWorks24 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，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。

<table><tbody><tr><td>MATLAB 数值计算软件</td><td>Mathworks</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html">http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案引言部分及参考文献[24]</td></tr><tr><td>NanospringCarver 程序代码与文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]</td></tr><tr><td>MATLAB GUI 文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]</td></tr><tr><td>原子级块体玻璃输入文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26]</td></tr><tr><td>IFrIT 可视化软件</td><td>开源软件</td><td>&lt;a href=&quot;http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第3节及参考文献[19]</td></tr><tr><td>LAMMPS 分子动力学软件</td><td>开源软件</td><td>&lt;a href=&quot;http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第4节及参考文献[32]</td></tr></tbody></table>

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

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。&#160; 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。

使用第一种计算方法（纳米带代码）创建的原子级纳米带模型及其相关尺寸如图9所示。使用第二种计算方法（纳米弹簧代码）得到的纳米弹簧模型及其相关尺寸如图10所示。
<img alt="粒子运动模式示意图，包含六种不同的路径形状，展示动态轨迹。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图9"> 
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) 经额外旋转后的侧视...

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。&#160; 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。&#160; 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。

弹簧状材料在自然界中普遍存在，在纳米技术中具有重要研究价值，可用于能量收集、氢气储存和生物传感……

本实验的总体目标是利用开源分子动力学（MD）模拟程序，构建螺旋状纳米弹簧和纳米带的原子级模型。本视频介绍了如何制备二氧化硅玻璃纳米弹簧模型：首先准备合适的原子级体相二氧化硅输入文件，以及开源的纳米弹簧切割程序文件；第二步是在 Linux 系统的计算机上启动 MATLAB，并使用纳米弹簧切割程序的图形用户界面生成所需的纳米弹簧模型。接下来，在开源可视化工具中验证纳米弹簧雕刻器的结果。最后一步是将结果应用于弹簧的分子动力学拉伸模拟。最终，可为面向材料创新研究的分子动力学模拟有效生成多种定义明确且可扩展的纳米螺旋模型。我最初想到使用这种方法是在进行纳米结构（如纳米线等）的分子动力学模拟时。众所周知，弹簧状材料在自然界中非常普遍，因此研究这类几何结构显得尤为重要，尤其是在与能量收集、氢气存储、生物传感等相关的应用中。目前市场上已有可用的商业软件包和代码。然而，它们在可创建的几何结构类型方面存在较大局限性，因此难以轻松实现理想的螺旋模型。我们希望这类努力能够促进未来的研究。接下来将演示该实验步骤的是我实验室的研究生 Max Larner。本视频中使用的文件可在Davila研究组网站上在线获取。有关网址，请参见本视频附带的文字版实验方案。首先，从网络资源库下载名为 nano springs dot tar dot gz 的压缩文件。找到下载的压缩包，将其移动到首选的工作目录中，即“文档/Nanos Springs”文件夹。右键单击 nano_springs.tar.gz 文件，然后选择“在此处解压”。在右键上下文菜单中，确认当前目录中是否存在所有必需的文件。有关这些文件的列表及其在桌面端用途的说明，请参见文字版实验方案。打开终端窗口，并将目录更改为已提取 Nano Springs 项目文件的文件夹。接下来，通过在命令行中输入 me Nano Springs、me CPP Point cpp 来运行命令，以编译系统的二进制文件。然后在命令行中输入 MATLAB，启动 MATLAB 并使用在线提供的文件。通过点击 MATLAB 顶部左侧工具栏区域的指南图标来打开指南。打开一个新窗口以显示指南快速入门。使用“打开现有图形界面”选项卡来修改现有图表。单击“浏览”按钮，以查找要修改的现有图形界面图表。选择图形文件后，单击两个窗口中的“打开”，以显示包含图形界面的新窗口，然后在工具菜单下的“运行”处单击以启动图形界面。当弹出窗口提示是否在运行前保存图形时，单击“是”，随后将显示修改后的图形界面。要设置示例运行，请首先单击图形界面顶部的“选择输入模型文件”按钮，并导航至 Glass cube IP 文件。选择输入文件后，其路径应显示在所选输入模型文件按钮右侧的 gooey 窗口中。接下来，进入输出模型部分，使用浏览按钮查找并选择用于保存输出模型的目录。通过点击 gooey 运行按钮，使用给定的弹簧参数运行示例。在 MATLAB 反馈中，验证为弹簧模型选择的输入原子数量以及弹簧模型参数。一旦完成 gooey 界面的设置，可通过在 MATLAB 当前文件夹窗口中右键单击 nano_springs_dot_M 并选择运行，来执行连续运行。通过此操作可直接调出 gooey 界面，以可视化并验证由 nano springing carver 生成的输出弹簧模型。使用纳米弹簧雕刻器 MATLAB 图形用户界面生成文件，作为可视化程序的输入，方法与之前相同。测量弹簧模型中的距离，并记录这些数据。将测量结果与期望的弹簧尺寸进行比较，验证弹簧模型的准确性，以确保可将纳米弹簧雕刻器生成的弹簧模型作为输入，用于传统的开源分子动力学代码。首先，下载最新版本的开源分子动力学程序。Lamps，确定所需纳米弹簧模型的尺寸，以准备适当的初始块体二氧化硅玻璃模型。然后使用纳米弹簧切割器MATLAB图形用户界面创建所需的纳米弹簧模型。与之前类似，通过拉伸模型对目标纳米弹簧进行拉伸模拟。沿轴向生成纳米弹簧模型被拉伸的代表性视频，用于可视化和分析。本方案中介绍的计算方法可用于创建适用于原子级模拟的二氧化硅纳米弹簧和纳米带。图中展示的是一个硅纳米带的原子级模型，其纳米带半径为 1.07 纳米，螺旋半径为 5.37 纳米，螺距为 7.16 纳米。快照展示了该纳米结构的不同视角。该图显示了一个硅纳米弹簧的原子级模型，其线丝半径为 1.07 纳米，螺旋半径为 4.29 纳米，螺距为 4.29 纳米。观看本视频后，读者应能够使用我们开发的开源代码创建螺旋形纳米弹簧，用于未来的分子动力学模拟。总之，本视频介绍的方法将帮助任何人通过模拟研究纳米结构的力学行为，从而实现包括纳米器件设计在内的各类前沿研究。

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科研

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工程

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