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

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高效生成多种定义明确且可扩展的纳米螺旋模型。

我最初产生使用这种方法的想法，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，因此研究此类几何结构显得尤为重要，尤其是在能量收集、氢气存储、生物传感等应用领域。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。因此，构建理想的螺旋模型并不容易实现。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，并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。有关这些文件及其用途的列表，请参见桌面版文字实验方案。打开终端窗口，并将目录更改为已提取纳米弹簧项目文件的文件夹。

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”选项中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，确认后将显示已修改的图形界面。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图形界面窗口中。接下来，进入输出模型部分，点击浏览按钮，选择用于保存输出模型的目录。通过点击图形界面中的运行按钮，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点击 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。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。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。然后使用纳米弹簧雕刻器 MATLAB 图形用户界面创建所需的纳米弹簧模型。

与之前相同，通过拉伸模型对目标纳米弹簧进行拉伸模拟。轴向生成纳米弹簧模型被拉伸的代表性视频，用于可视化与分析。本方案中介绍的计算方法可用于制备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状纳米弹簧，用于未来的分子动力学模拟。总之，本视频介绍的方法将有助于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。