Summary
Nauwkeurige modellering van nanohelical structuren is van belang voor voorspellende simulatie studies die leiden tot nieuwe toepassingen van nanotechnologie. Momenteel, softwarepakketten en codes zijn beperkt in het creëren van atomistische spiraalvormige modellen. We presenteren twee procedures ontwikkeld om atomistische nanohelical modellen te maken voor de simulaties, en een grafische interface om onderzoek door visualisatie te verbeteren.
Abstract
Lente-achtige materialen zijn alomtegenwoordig in de natuur en van de interesse in nanotechnologie voor energie oogsten, de opslag van waterstof, en biologische sensing toepassingen. Voorspellende simulaties is het steeds belangrijker geworden om te kunnen modelleren van de structuur van nanohelices nauwkeurig. Om het effect van lokale structuur eigenschappen van deze complexe geometrieën moet een realistische modellen te ontwikkelen bestuderen. Tot op heden zijn softwarepakketten eerder beperkt in het creëren van atomistische spiraalvormige modellen. Dit werk richt zich op het produceren van atomistische modellen van silica glas (SiO 2) nanoribbons en nanosprings voor moleculaire dynamica (MD) simulaties. Een MD- model van "bulk" silica glas, twee computationele procedures om de vorm van nanoribbons en nanosprings nauwkeurig worden belicht. De eerste methode maakt gebruik van de AWK programmeertaal en open-source software om effectief te snijden verschillende vormen van silica nanoribbons uit de initial bulk model, met behulp van de gewenste afmetingen en parametrische vergelijkingen om een helix te definiëren. Met deze methode kan accurate atomistische silica nanoribbons gegenereerd worden voor een reeks van toonhoogte waarden en dimensies. De tweede methode houdt in een meer robuuste code die flexibiliteit mogelijk maakt in het modelleren nanohelical structuren. Deze benadering maakt gebruik van een C ++ code bijzonder geschreven vooraf screeningsmethoden en de wiskundige vergelijkingen voor een helix voeren, resulterend in grotere precisie en efficiëntie bij het maken nanospring modellen. Met behulp van deze codes, goed gedefinieerd en schaalbare nanoribbons en nanosprings geschikt voor atomaire simulaties effectief kan worden gecreëerd. Meerwaarde in zowel open source codes is dat ze kunnen worden aangepast aan verschillende spiraalvormige structuur, onafhankelijk van materiaal te reproduceren. Daarnaast wordt een MATLAB grafische user interface (GUI) gebruikt om de leerstof door visualisatie en interactie voor een algemene gebruiker met de atomaire helical structuren. Een toepassing van deze methoden is de recente studie van nanohelices via MD simulaties voor mechanische energie oogsten doeleinden.
Introduction
Helical nanostructuren worden typisch geproduceerd in het laboratorium met behulp van chemical vapour deposition technieken 1-2, terwijl nieuwe benaderingen zijn in de literatuur 3. In het bijzonder nanosprings en nanoribbons zijn bestudeerd omwille van hun verschillende eigenschappen en veelbelovende toepassingen in sensoren, optica, en elektromechanische en fluïduminrichtingen 4-7. Synthesewerkwijzen gemeld aan siliciumdioxide (SiO2) nanoribbons produceren die deze structuren potentieel bouwsteen eenheden hiërarchische systemen. Novel synthese van 3D silica nanosprings heeft hun applicaties uitgebreid met chemiresistors wanneer bekleed met ZnO 8 of nanodeeltjes voor diagnostische toepassingen 9-10.
Experimentele studies naar de mechanische eigenschappen van silica nanosprings en nanoribbons zijn schaars, vooral als gevolg van de huidige beperkingen in manipulatie en testmethoden en equipment. Onderzoeken naar de nanomechanica van nanostructuren en nanosprings zijn gemeld met behulp van theorie en simulaties 11-14. Sommige simulaties 13 hebben zich gericht op nanomechanical gedrag van amorfe nanosprings omdat ze regimes niet volledig toegankelijk door middel van experimenten kunnen verkennen. Atomistische studies van metallic nanosprings zijn gemeld in de literatuur aan de grootte afhankelijkheid van elastische eigenschappen 15 te onderzoeken, en meer recent de nanomechanica van spiraalvormige kristallijne silica nanostructuren 14. Experimentele testen van nanospring structuren is ook uitgevoerd in verschillende materialen zoals spiraalvormige koolstofnanostructuren en carbon nanocoils 16-17. Ondanks verzamelde de kennis tot nu toe, is een meer volledig begrip van de mechanische eigenschappen van deze nieuwe nanostructuren die nodig is voor toekomstige nanodevice fabricage inspanningen.
Als MD studies silica glass (niet-kristallijne silica) nanohelices zijn nog steeds vrij beperkt, de atomistische modellering van dergelijke structuren vereist de creatie van aangepaste codes. Geen enkele andere alternatieve methoden van het creëren van silica glas spiraalvormige MD modellen zijn tot nu toe geïdentificeerd op recente literatuuronderzoek. In dit werk wordt een bottom-up benadering van de atomistische modellering van spiraalvormige silica glas nanostructuren inclusief nanosprings en nanoribbons nagestreefd voor toekomstige grootschalige MD nanomechanical simulaties. De algemene aanpak omvat de oprichting van een MD "bulk" silica glas model zoals eerder gemeld 18, en het uithakken van verschillende spiraalvormige nanostructuren van deze "bulk" sample via twee robuuste en flexibele computer codes voor dit doel ontwikkeld. Beide computationele procedures bieden een aparte manier om nanoribbon en nanospring modellen met grote efficiëntie en atomistische detail te creëren; deze structuren zijn geschikt voor grootschalige atomistische simulaties.Daarnaast wordt een aangepaste grafische gebruikersinterface gebruikt creatie en visualisatie van de spiraalvormige structuren vergemakkelijken.
De structuur van de "bulk" kwartsglas model aanvankelijk gemaakt bij kamertemperatuur. Grootschalige MD simulaties worden uitgevoerd voor dit doel gebruik van de Garofalini interatomaire potentiaal vergelijkbaar met eerdere studies 18, die relatief efficiënt computationeel en geschikt voor grote systemen. De aanvankelijke "bulk" silica glazen constructie bestaat uit een kubusvormige model (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm), die 192.000 atomen bevat. De "bulk" silica glas model wordt in evenwicht gebracht bij 300 K voor 0,5 ns naar de oorspronkelijke staat te krijgen met behulp van periodieke randvoorwaarden.
Twee computationele procedures worden ontworpen en gebruikt om atomistische silica nanoribbon en nanospring modellen te maken. De eerste methode houdt in het uithakken van silica nanoribbons uitde "bulk" structuur met behulp van de parametrische vergelijkingen die een helix te definiëren, en de geometrie (toonhoogte, straal van helix, en draad straal). Deze procedure omvat het gebruik van de AWK programmeertaal, het Linux-besturingssysteem, en open-source visualisatie software 19. De algemene iteratieve procedure atomaire modellen nanoribbons maken omvat: (1) het selecteren van een atoom in de "bulk" kwartsglas model, (2) het berekenen van de afstand van de geselecteerde atoom tot een punt in de ruimte op een vooraf gedefinieerde spiraalvormige functie (3) het vergelijken van de afstand tot de radius van de gewenste nanoribbon, en (4) ontdoen of houden het atoom in een output gegevensmodel. Een gedetailleerde stap-voor-stap beschrijving van deze methode is opgenomen in de Scalable Open-Source Codes Aanvullend materiaal. Met deze methode, werden verschillende silica nanoribbons gemaakt met behulp van verschillende toonhoogte, straal van helix en nanoribbon straal waarden, die vervolgens werden gemetenvoor nauwkeurigheid tegen de gewenste dimensionele waarden met moleculaire analyse en visualisatie software 19-20. Atomistische modellen van silica nanoribbons werden gegenereerd met functionele geometrieën (hoge waarden van toonhoogte en lage waarden van nanoribbon straal). Sommige artefacten, bestaande uit atomen uitgesloten fout, waardoor een minder glad oppervlak nanoribbon, waargenomen bij zeer hoge nanoribbon radiuswaarden en extreem lage toonhoogten. Soortgelijke werkwijzen zijn gebruikt bij het maken van silica nanodraden 21-23.
De tweede methode hier gepresenteerde omvat het uithakken van silica nanosprings van de "bulk" silica structuur door de uitvoering van pre-screening methoden om de efficiëntie in aanvulling te verhogen om de wiskundige vergelijkingen voor een helix. Deze procedure vereist het creëren van een meer robuuste C ++ code om meer flexibiliteit in het modelleren van deze spiraalvormige nanostructuren. De iteratieve methode Atomis creërentic modellen nanosprings omvat: (1) weggooien helemaal uit buiten de schroeflijnvormige baan vallen atomen, (2) deterministisch selecteren van een punt op de schroeflijnvormige baan, (3) het vergelijken van alle atomen binnen een bepaalde afstand van dit gekozen punt, en (4 ) weggooid of opslaan van elk atoom in een output datamodel. Een stap-voor-stap beschrijving van deze methode is ook opgenomen in de Scalable Open-Source Codes Aanvullend materiaal. Met deze methode meerdere silica nanospring modellen werden verkregen met gevarieerde afmetingen (draad straal, straal van helix, en de toonhoogte van nanospring) als weergegeven in figuur 1. Zeer nauwkeurige silica nanospring modellen werden efficiënt verkregen met deze methode, met geen bewijs van gevonden artefacten bij extreme (laag en hoog) toonhoogte waarden voor de nanospring. Het creëren en gebruiken van de grafische gebruikersinterface voor deze methode wordt beschreven in het protocol.
Figuur 1. Een algemene helixstructuur tonen karakteristieke afmetingen, waarbij r, R en p de draad straal, straal van helix en pek respectievelijk H geeft de totale hoogte van de helixstructuur 23.
Dit protocol beschrijft hoe voor te bereiden de NanospringCarver bestanden, hardlopen MATLAB 24 op een LINUX 25 PC, en gebruik maken van een grafische gebruikersinterface om atomistische nanospring modellen voor te bereiden. Deze voorheen niet beschikbaar modellen dienen als basis voor nieuwe moleculaire dynamica (MD) simulaties 23 in de richting van materialen innovatie-onderzoek.
De algemene stap-voor-stap procedure om atomistische nanospring modellen te maken gaat met behulp van de volgende elementen: (a) NanospringCarver (. V 0.5 beta) code (open-zurece in C ++ taal), (b) bulk silica glas model (input-bestand), (c) MATLAB GUI-interface en de bijbehorende bestanden, en (d) MATLAB software (versie 7) met behulp van een lokale licentie op een Linux PC. Items (a) - (c) hierboven (NanospringCarver code, silica glas model, MATLAB GUI bestanden) zijn vrij om online 26 downloaden. MATLAB (Matrix Laboratory) is een high-level taal voor de numerieke berekening, visualisatie, en applicatie-ontwikkeling uit MathWorks 24, die meestal wordt gebruikt voor data visualisatie en analyse, beeldverwerking, en computationele biologie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Voorbereiding NanospringCarver Bestanden en Beginnend MATLAB op een Linux PC
De volgende stappen zijn ontworpen voor een gewone gebruiker gebruik van de bestanden online 26 te ontvangen.
- Pak de nanosprings.tar.gz archiefbestand in de "Home" of een andere geprefereerde directory.
- Download de nanosprings.tar.gz bestand archief van het web repository 26.
- Zoek het gedownloade archief en verplaats deze naar een gewenste werkmap getiteld "Documents / Nanosprings".
- Klik met de rechtermuisknop nanosprings.tar.gz en selecteer "extract here" van rechts-klik context menu.
- Controleer of alle benodigde bestanden in de huidige directory zijn. Een lijst van deze bestanden en hun doel volgt:
Makefile - handmatig beheerde compile bestand voor nanosprings.cpp en Point.cpp
Nanosprings.fig -MATLAB GUI internals
Nanosprings.m -MATLAB GUI code
Point.cpp - Point (atoom) definitie van de klasse
Point.h - Point (atoom) klasse header
snijd - stand-alone nanosprings executable
example.par - bijvoorbeeld parameter file
glasscube.inp - glasscube databestand
nanosprings.cpp - main nanosprings code
nanosprings_diagram.jpg - bijvoorbeeld nanospring voor weergave
nanospringsmex.cpp - MATLAB-geïntegreerd nanosprings.cpp
nanospringsmex.mexglx - MATLAB-geïntegreerd nanosprings uitvoerbare
Opmerking: De gebruiker moet de "nanospringsmex.mexglx" uitvoerbaar bestand voor de specifieke Linux-machine wordt gebruikt te maken (32-bits versie in dit voorbeeld). Als dit nog niet is gedaan, controleert de toegang tot de MATLAB "mex" compilerdoor te typen op de command line "die mex" en verifiëren van het bestaan van het programma. Controleer ook of de toegang tot de MATLAB-programma door het typen op de command line "die matlab". Met een opdrachtregel te typen "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" zal de "nanospringsmex.mexglx" executable MATLAB-geïntegreerd NanospringCarver bestand aan te maken, zoals in de onderstaande instructies. Hoewel niet vereist voor de GUI desgewenst een zelfstandige versie van het NanospringCarver programma kan worden aangemaakt met "make" op een opdrachtregel. Dit zal de nanosprings.cpp en Point.cpp programma-elementen samen te stellen om de "carve" uitvoerbaar bestand te maken. In deze tutorial, de "glasscube.inp" bestand bevat positie-informatie voor 192.000 silicium en zuurstofatomen representin ga kwartsglas model, waarbij elke regel met een atoom ID type atoom, en x, y, z-coördinaten van het atoom. De eerste regel van het bestand is het totale aantal atoom (192.000). De atomaire coördinaten in dit bestand zijn relatieve waarden, die, indien vermenigvuldigd met 0,716 zou nanometer afstanden vertegenwoordigen. - Op het bureaublad, open een terminal venster. Op veel Linux-versies doen dit door tegelijkertijd op de "Ctrl", "Alt" en "T" toetsen.
- Wijzig de map in de map waarin het nanosprings project bestanden werden geëxtraheerd door te typen:
cd Documents / Nanosprings / - Vervolgens voert u de opdracht naar de binary voor het systeem door te typen compileren:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Volgende initiëren MATLAB door het intikken van Matlab op de opdrachtregel
2. wijzigen en met behulp van een Graphical User Interface (GUI) om de NanospringCarver Program
ove_content "> Volg de onderstaande behulp van de bestanden online 26 voorzien stappen.- Open het GUIDE in MATLAB door te klikken op het pictogram GUIDE, linksboven werkbalk gebied (Figuur 2), om een nieuw venster met de GUIDE snelle start (Figuur 3) weer te geven.
Figuur 2: MATLAB user interface laat zien hoe MATLAB GUIDE openen.
Figuur 3: MATLAB GUIDE-interface geïnitialiseerd.
- Gebruik het tabblad "Open Bestaande GUI" (figuur 4) om een bestaande afbeelding te wijzigen. Klik op de knop "Bladeren" om te zoeken naar de bestaande GUIcijfer te wijzigen. Na de figuur bestand selecteren (Nanosprings.fig, zie blauwe doos), klik op "Open" op beide vensters om een nieuw venster met de GUI figuur weer te geven. Zoek de knoppen beschikbaar om te worden gebruikt voor de GUI-creatie op het linker paneel (figuur 5).
Figuur 4: MATLAB GUIDE-interface laten zien hoe u een bestaand GUI figuur bestand te openen.
Figuur 5: MATLAB GUIDE-interface tonen tools voor het aanpassen van een bestaande GUI figuur.
- Om de GUI draaien, klikt u op "Uitvoeren" onder het "Extra menu ". Klik vervolgens op "Ja" als er een pop-up venster wordt gevraagd of u de afbeelding opslaan voordat hardlopen. Een nieuw venster wordt de gewijzigde GUI.
- Maak zo nodig een GUI voor een ander specifiek materiaal met deze GUI als een voorbeeld.
- Voor het instellen van het voorbeeld run, klik eerst op de "Select Input model bestand" knop aan de bovenkant van de GUI en navigeer naar de "glasscube.inp" bestand. Selecteer dit bestand en klik op "Open" om het zoekvenster te sluiten. De geselecteerde input file en het pad naar het moet nu worden weergegeven in de GUI-venster aan de rechterkant van de "Geselecteerde ingang model bestand" (afbeelding 6).
Figuur 6: Screenshot van het gebruik van de GUI om een voorbeeld silica nanospring model te maken.
- Vervolgens gebruikt u de knop "Bladeren" in het onderdeel "Output model" om te zoeken naar en selecteer de map om de output-model op te slaan in. Zorg ervoor dat de output directory actief is geselecteerd om tijdens de koers te zijn ingeschakeld, ook al is er een output directory al in de bijbehorende venster weergegeven aan de rechterkant van deze knop.
Opmerking: De "Advance Parameters Minimum afstand" waarde heeft (0.209311 figuur 6) specifiek berekend voor de "glasscube.inp" invoerbestand in dit voorbeeld, en moet worden gelaten is. Deze waarde kan indien nodig, worden berekend op basis van het eerste gebruik van een andere input file door het invoeren van een waarde van "0" op deze locatie voordat u het model. In dit voorbeeld zijn alle parameterwaarden in relatieve eenheden aan de ingang overeenkomen atomaire coördinatensysteem. Indien vermenigvuldigd met 0,716 parameterwaarden zou nanometer afstand vertegenwoordigen. </ Li> - Voer het bijvoorbeeld met behulp van de gegeven voorjaar parameters van r = 1,0, R = 5.0, p = 1,5, en d = 0,209311 door op de GUI "Run" knop. Bekijk de feedback van de run in het venster MATLAB Command (figuur 7). In de feedback, controleer dan of de veer parameters worden bevestigd, dat de input data bestand is gelezen, en de resultaten die zijn opgeslagen in de output bestand met de naam "model" zijn beschreven.
Figuur 7: MATLAB Command window feedback van GUI-gebaseerde Nanosprings run.
Opmerking: In het bovenstaande voorbeeld, het bestand "model" bevat 5176 atomen omvattende de gewenste bron, één per regel, de eerste regel geeft het totale aantal atomenin het bestand. Elke lijn definieert een atoom omvat het atoom ID, atoomtype en x, y, z-coördinaten van dat atoom.
- Zodra de GUI interface is afgerond, voert opeenvolgende series door rechts te klikken op "Nanosprings.m" in de MATLAB "Huidige map" venster, en "Uitvoeren" te selecteren om de GUI-interface direct mee te nemen.
Opmerking: Verschillende referenties zijn vermeld 27-31 voor aanvullende informatie over MATLAB GUIDE en de basisinstellingen van het GUIDE interface.
3. Verifying NanospringCarver resultaten in een open-source Visualizer 19
De volgende stappen zijn bedoeld voor een algemene gebruiker te visualiseren en controleren de output voorjaar modellen gecreëerd door NanospringCarver.
- Gebruik de NanospringCarver MATLAB GUI zoals hierboven beschreven bestanden voor invoer in het visualisatieprogramma 19. Bij het uitvoeren van de visualisatie-programma, gebruik dan de "point Coordinaten file "input optie, onderscheiden types atoom door kleur, en selecteer een as rooster grens voor het veld.
- Meet afstanden in het voorjaar modellen en maak een verslag van hen.
- Vergelijk meetgegevens tegen gewenste voorjaar afmetingen en controleer voorjaar model nauwkeurigheid.
4. Met behulp van NanospringCarver Resultaten in MD Tensile Simulaties van Nanosprings
De volgende stappen worden samengevat voor een gewone gebruiker de veer een model dat NanospringCarver als invoer voor een conventionele open source MD code 32.
- Download de nieuwste versie van het open-source MD-programma LAMMPS. Raadpleeg de bijbehorende online documentatie voor handleidingen en voorbeelden.
- Bepaal de afmetingen van de gewenste nanospring model om de passende initiële bulk silica glas model voor te bereiden, zoals gemeld vóór 18.
- Maak de gewenste nanospring model met behulp van de NanospringCarver MATLAB GUI (zie Sectie 2 hierboven).
- Voer treksterkte simulaties op de gewenste nanospring, door het uitrekken van het model axiaal 11,13,23. Produceer een vertegenwoordiger video van nanospring model uitgerekt (zie figuur 8, hieronder, en Animated figuur 1) voor visualisatie en analyse. Wetenschappelijke resultaten over de spanning-rek gedrag en stijfheid bij verschillende nanospring modellen onder spanning zijn elders vermeld 23.
Figuur 8: Screenshot van silica nanospring tijdens treksterkte simulatie (zie ook geanimeerde figuur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De atomaire nanoribbon modellen gemaakt met het eerste rekenkundige procedure (nanoribbons code) en de bijbehorende afmetingen zijn aangegeven in figuur 9. De resulterende nanospring modellen met de tweede rekenkundige procedure (nanosprings code) en bijbehorende afmetingen zijn aangegeven in figuur 10.
Figuur 9. Atomaire model van een silica nanoribbon met gewenste afmetingen: r (nanoribbon straal) = 1,07 nm, R (straal van helix) = 5,37 nm, en p (pitch) = 7,16 nm. Snapshots illustreren verschillende standpunten van de nanostructuur: (a) bovenaanzicht, (b) zijaanzicht, (c) zijaanzicht met extra rotatie, en (d) - (f) diagonaal uitzicht. De SiO 2 nanoribbon model bevat 3354 atomen. De totale lint hoogte H is 14.1 23 nm.
Figuur 10. Atomaire model van een silica nanospring met gespecificeerde afmetingen: r (draad straal) = 1,07 nm, R (straal van helix) = 4,29 nm, en p (pitch) = 4.29 nm. Snapshots tonen verschillende weergaven van de nanospring model: (a) bovenaanzicht, (b) zijaanzicht, (c) zijaanzicht met extra voorwaartse rotatie, en (d) - (f) diagonaal uitzicht. De SiO 2 nanospring model bestaat uit 21.246 atomen. De totale lente hoogte H is 14.32 nm 23.
Het bereik van nanoribbon en nanospring afmetingen gegenereerd met beide codes was omvangrijk (r <3,75 nm, R <9 nm, en p <12.57 nm). Elk van deze methoden heeft een unieke manier om siliciumdioxide nanosprings en nanoribbons geschikt voor creërenatomistische simulaties. Beide methoden zijn flexibel en kunnen worden aangepast aan verschillende spiraalvormige structuur onafhankelijk van het materiaal, waardoor ze zeer nuttig en veelzijdig maakt produceren.
Animated Figuur 1 . Silica nanospring tijdens trek- simulatie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Wijziging van de oorspronkelijke benadering van nanohelical structuren heeft geleid tot de ontwikkeling van twee verschillende codes te creëren van zowel nanoribbons en nanosprings toestaan van een eerste bulk silica glas MD model te maken. De verificatie van de silica nanoribbon en nanospring modellen werd voortgezet met behulp van verschillende software pakketten 19-20, die hun maatvastheid binnen de meetcapaciteit van het programma bevestigd. Vergelijking tussen nanosprings en nanoribbons werd ook uitgevoerd door overlappen de modellen van verschillende kanten en hoeken, waardoor extra geometrie verificatie. Beide computationele methoden ontwikkeld in dit project creëerde spiraalvormige nanostructuren op een aparte manier, met een toegevoegde waarde vanwege hun schaalbaarheid voor gebruik met een bulk materiaal model omvang en het potentieel gebruik in het modelleren nanohelical constructies van andere materialen. De resulterende modellen hier gepresenteerde vertoonden er geen detecteerbare artefacten (atoms ontbreekt in de gewenste nanohelical structuur) gegenereerd met behulp van beide methoden. Bovendien, de rekenkundige methoden die in dit werk zijn flexibel voor het creëren rechtshandig of linkshandig spiraalvormige nanostructuren, eenvoudigweg door de volgorde van de sinus en cosinus functie definiëren van de helix. Toekomstige toepassingen van deze methode zal scaling tot grotere spiraalvormige structuren waardoor uitgebreide parameter variatie, en verkenning van het gebruik met verschillende basismaterialen.
Beperkingen van deze methode zijn dimensionale beperkingen op de gecreëerde nanohelices afhankelijk van de oorspronkelijke bulk silica-model gebruikt, wat aanzienlijke computing resources kunnen betrekken als het model grootte toeneemt. Zoals momenteel worden uitgevoerd, zal de nanoribbon of nanospring hoogte uit te breiden tot het formaat van het origineel bulk model. De eerste computationele methode genereert accurate nanoribbon modellen voor een reeks van parameters als de toonhoogte hoger is dan7.16 nm en de radius van de spiraalvormige draad groter is dan 10% van de kortste dimensie van de "bulk" silica glas structuur. De tweede computationele methode genereert accurate nanospring modellen zonder parameter beperking. Dit is bijzonder belangrijk voor het uitvoeren van MD-simulaties indien beschikbaar atomaire nanostructurele modellen zijn nodig om verschillende voorwaarden maat onderzoeken.
Een cruciale stap in het protocol zou zijn om na te gaan bij het eerste gebruik van een bepaalde initiële MD stortgoed model dat de minimale afstand tussen de dichtst twee atomen in het model is bepaald en input correct met de dimensionale parameters. Bovendien moet erop worden toegezien dat spiraalvormige afmetingen gevraagde niet meer bedragen dan de bulk materiaal model afmetingen.
Technologische ontwikkelingen hebben de oprichting en karakterisering van complexe spiraalvormige nanostructuren gefaciliteerd zoals oxide nanoribbons eend nanosprings in het laboratorium. Deze structuren op nanoschaal hebben unieke eigenschappen die een grondig onderzoek met het oog op hun volledige potentieel voor diverse toepassingen te realiseren vereisen. MD studies van het gedrag van die spiraalvormige structuren vereisen een flexibele codes die gemakkelijk en nauwkeurig kan maken spiraalvormige nanostructuren en vervolgens gebruik maken van geschikte interatomaire potentialen en werkwijzen voor voorspellende simulaties. Deze eerste eis te voldoen, werden nauwkeurige structurele modellering codes ontwikkeld die zullen worden gebruikt voor grootschalige MD compressie en experimentele validatie.
Deze methode om MD kwartsglas (niet-kristallijne) nanohelical modellen is belangrijk omdat soortgelijke codes niet beschikbaar en andere alternatieve benaderingen zijn gericht op kristallijne nanostructuren. Deze modellering inspanning is uitgebreid met de resulterende nanostructuren in MD-simulaties die ik hebed op een proefschrift over de elastische respons van silica glas nanohelices onder trekbelasting 23. Time-efficiënte simulatie van nanostructuren is een uitdagend probleem echter nieuwe programmeertechnieken en atomistische modellen zijn vooral steeds belangrijk voor voorspellende studies. Dit modelleertechniek wint snel aan belang en in snel tempo een efficiënte methode voor de modellen die high performance computing vereisen. Toekomstige academische inspanningen zullen waarschijnlijk ook de aanpassing van deze codes voor de opleiding van computationele onderzoekers en in de klas oefeningen. Het uitvoeren van MD simulaties om de respons van spiraalvormige structuren om diverse vormen van belasting te studeren is zeker haalbaar met deze robuuste atomistische modellen. Het succes van de toekomstige productie met behulp van deze nanostructuren als bouwstenen zal afhangen van begrip van hun structuur en eigenschappen, met gevolgen voor de Nanomanipulatie en zelf-assemblage processen. Dit werk isa stap naar het begrijpen van het mechanisch gedrag van dergelijke nanostructuren gebruik van grootschalige MD simulaties, die potentieel bruikbaar zijn voor het ontwerpen nanodevices voor een groot aantal toepassingen kan worden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
De auteurs willen Tim Allis danken aan UC Merced voor zijn hulp bij dit project. Het NSF-COINS programma op UCM ondersteund (KAM) in een eerste deel van dit werk. Een NSF-BRIGE award ondersteund co-auteurs (BND en KAM), het verstrekken van fondsen voor dit werk en kosten voor conferenties.
Het lectoraat wil in de eerste plaats de National Science Foundation erkennen voor de financiering van deze werkzaamheden via een BRIGE award. Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door de National Science Foundation onder 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).
