Nanohelices évolutives pour les études de prévision et le renforcement de la visualisation 3D

Résumé

La modélisation précise des structures nanohelical est important pour les études de simulation prédictive de déboucher sur des applications de la nanotechnologie. Actuellement, des logiciels et des codes sont limités dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Nous présentons deux procédures visant à créer des modèles de nanohelical atomiques pour les simulations, et une interface graphique pour améliorer la recherche grâce à la visualisation.

Résumé

matériaux printanières sont omniprésents dans la nature et de l'intérêt dans les nanotechnologies pour la récupération d'énergie, le stockage d'hydrogène, et les applications de détection biologiques. Pour les simulations prédictives, il est devenu de plus en plus important d'être capable de modéliser la structure de nanohelices précision. Pour étudier l'effet de la structure locale sur les propriétés de ces géométries complexes, il faut développer des modèles réalistes. À ce jour, les progiciels sont plutôt limitées dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Ce travail se concentre sur la production de modèles atomiques de verre de silice (SiO ₂₎ et nanorubans nanosprings pour la dynamique moléculaire (MD) simulations. En utilisant un modèle de MD "en vrac" verre de silice, deux procédures de calcul pour créer exactement la forme de nanorubans et nanosprings sont présentés. La première méthode utilise le langage de programmation et logiciels open-source AWK se tailler efficacement différentes formes de nanorubans de silice de l'imodèle en vrac préside d'abord, en utilisant les dimensions souhaitées et équations paramétriques pour définir une hélice. Avec cette méthode, nanorubans de silice atomiques précises peuvent être générées pour une gamme de valeurs et dimensions hauteur. La seconde méthode consiste à un code plus robuste qui permet une certaine souplesse dans la modélisation de structures nanohelical. Cette approche utilise un code C ++ écrit notamment pour mettre en œuvre des méthodes de présélection ainsi que les équations mathématiques pour une hélice, ce qui entraîne une plus grande précision et efficacité lors de la création de modèles nanospring. L'utilisation de ces codes, bien définis et nanorubans évolutives et adaptées pour nanosprings simulations atomiques peuvent être créés de manière efficace. Une valeur ajoutée dans les deux codes open-source est qu'ils peuvent être adaptés à reproduire des structures en hélice, indépendamment du matériau. En outre, une interface utilisateur graphique MATLAB (GUI) est utilisé pour améliorer l'apprentissage grâce à la visualisation et l'interaction d'un utilisateur général avec l'hélicoptère atomistiquestructures cal. Une application de ces méthodes est l'étude récente de nanohelices par MD simulations à des fins mécaniques de récupération d'énergie.

Introduction

Nanostructures hélicoïdaux sont généralement produites en laboratoire par vapeur chimique des techniques de dépôt ^1-2, tandis que de nouvelles approches ont été rapportés dans la littérature ^3. En particulier nanosprings et nanorubans ont été étudiés en raison de leurs propriétés distinctes et des applications prometteuses dans les capteurs, optiques et des dispositifs électromécaniques et fluidiques ^4-7. méthodes de synthèse ont été signalés à produire de la silice (SiO ₂₎ nanorubans, faisant de ces structures potentielles unités de blocs de construction pour les systèmes hiérarchiques. Synthèse roman de nanosprings de silice 3D a élargi leurs applications à chemiresistors lorsqu'il est revêtu d'ZnO ⁸ ou nanoparticules pour des applications de diagnostic ^9-10.

Des études expérimentales sur les propriétés mécaniques de nanosprings de silice et nanorubans sont rares, principalement en raison des limites actuelles de manipulation et d'essai et equipment. Les enquêtes sur les nano-des nanostructures et nanosprings ont été rapportés en utilisant la théorie et simulations ^11-14. Certaines simulations ont porté sur ¹³ nanomécaniques comportement de nanosprings amorphes, car ils peuvent explorer des régimes pas entièrement accessibles par l'expérimentation. Études atomiques de nanosprings métalliques ont été rapportés dans la littérature pour étudier la dépendance de la taille des propriétés élastiques ^15, et plus récemment les nano-des nanostructures de silice hélicoïdal cristallines ^14. Expérimentation des structures de nanospring a également été réalisée dans différents matériaux tels que les nanostructures de carbone hélicoïdaux et nanocoils de carbone ^16-17. En dépit de la connaissance recueillie jusqu'à présent, une compréhension plus complète des caractéristiques mécaniques de ces nouveaux nanostructures est nécessaire pour les futurs efforts de fabrication nanodispositif.

Comme les études de silice g MDlass (silice non cristalline) nanohelices sont encore assez limitées, la modélisation atomistique de ces structures nécessite la création de codes personnalisés. Pas d'autres méthodes alternatives de création de modèles de MD hélicoïdaux de verre de silice ont été identifiés à ce jour sur la recherche récente de la littérature. Dans ce travail, une approche bottom-up à la modélisation atomistique de nanostructures hélicoïdales de verre de silice dont nanosprings et nanorubans est poursuivi pour les futures grandes simulations MD nanomécaniques. L'approche générale consiste en la création d'un "gros" modèle de verre de silice MD comme indiqué précédemment ^18, et tailler différentes nanostructures hélicoïdales de cet échantillon "en vrac" via deux codes informatiques robustes et adaptables développés à cet effet. Les deux méthodes de calcul offrent une manière distincte pour créer des modèles de nanoruban et nanospring avec une grande efficacité et détail atomistique; ces structures sont adaptés à grande échelle simulations atomiques.En outre, une interface graphique d'utilisateur personnalisée est utilisée pour faciliter la création et la visualisation des structures hélicoïdales.

La structure du "vrac" modèle de verre de silice est d'abord créé à la température ambiante. Simulations de DM à grande échelle sont menées à cet effet à l'aide du Garofalini interatomique potentiel similaire à des études antérieures ^18, ce qui est relativement efficace et appropriée de calcul pour les grands systèmes. La structure "en vrac" en verre de silice initial est composé d'un modèle cubique (14,3 x 14,3 x 14,3 ³ nm) qui contient 192 000 atomes. Le modèle de verre de silice "en vrac" est équilibrée à 300 K pendant 0,5 ns pour obtenir l'état initial en utilisant des conditions limites périodiques.

Deux méthodes de calcul sont conçus et utilisés pour créer des modèles de nanoruban de silice et nanospring atomiques. La première méthode consiste à tailler nanorubans de silice à partir dela structure "en vrac" à l'aide des équations paramétriques qui définissent une hélice, et sa géométrie (hauteur, le rayon de l'hélice, et le rayon du fil). Cette procédure inclut l'utilisation de la langue de programmation AWK, le système d'exploitation LINUX, et open-source du logiciel de visualisation ^19. La procédure itérative général de créer des modèles atomiques de nanorubans consiste à: (1) la sélection d'un atome dans le modèle de verre de silice "en vrac", (2) calcul de la distance à partir de l'atome sélectionné à un point dans l'espace sur une fonction hélicoïdal pré-défini, (3) la comparaison de cette distance au rayon de la nanoruban souhaitée, et (4) le rejet ou le maintien de l'atome en un modèle de données de sortie. Une description étape par étape détaillée de cette méthode est incluse dans les codes évolutive Open-Source supplément de matériel. Avec cette méthode, plusieurs nanorubans de silice ont été créés en utilisant hauteur différente, rayon de valeurs de l'hélice et du rayon de nanoruban, qui ont été évalués par la suitepour la précision contre les valeurs dimensionnelles désirées avec l'analyse moléculaire et logiciels de visualisation ^19-20. Modèles atomiques de nanorubans de silice ont été générés avec des géométries fonctionnelles (valeurs élevées de terrain et de faibles valeurs de rayon de nanoruban). Certains artefacts, constitué d'atomes exclus par erreur, conduisant à une surface de nanoruban moins lisse, ont été observés à des valeurs de rayon de nanoruban excessivement élevées et des valeurs extrêmement faibles de hauteur. Des procédés similaires ont été utilisés dans le processus de création de nanofils de silice ^21-23.

La deuxième méthode présentée ici consiste à tailler nanosprings de silice à partir de la structure de silice "en vrac" en mettant en œuvre des méthodes de présélection pour accroître l'efficacité en plus des équations mathématiques pour une hélice. Cette procédure doit créer un code C ++ plus robuste pour permettre une plus grande flexibilité dans la modélisation de ces nanostructures hélicoïdales. La méthode itérative pour créer Atomismodèles tic de nanosprings comprend: (1) jeter tous les atomes garantis à tomber en dehors de la trajectoire hélicoïdale, (2) la sélection déterministe un point sur la trajectoire hélicoïdale, (3) la comparaison de tous les atomes situés à une distance spécifique à ce point sélectionné, et (4 ) le rejet ou le stockage de chaque atome dans un modèle de données de sortie. Une description étape par étape de cette méthode est également inclus dans les Scalable codes Open-Source Matériel supplémentaire. Avec cette méthode, plusieurs modèles de nanospring de silice ont été obtenus avec des dimensions variées (de rayon de fil, rayon de l'hélice, et pas de nanospring) que présentés dans la figure 1. modèles nanospring de silice de haute précision ont été obtenus de manière efficace avec cette méthode, avec aucune preuve d'artefacts trouvés à valeurs extrêmes (hautes et basses) Emplacement pour le nanospring. La création et l'utilisation de l'interface utilisateur graphique de cette méthode est décrite dans la section de protocole.

Figure 1:. Une structure hélicoïdale générale indiquant les dimensions caractéristiques, où R, R et p représentent le rayon du fil, le rayon de l'hélice, et la hauteur, respectivement, H désigne la hauteur totale de la structure hélicoïdale ^23.

Ce protocole décrit comment préparer les fichiers NanospringCarver, la course MATLAB ²⁴ sur un LINUX ²⁵ PC, et utiliser une interface utilisateur graphique pour préparer des modèles de nanospring atomiques. Ces modèles précédemment indisponibles servent de base pour la dynamique moléculaires (MD) simulations ²³ vers la recherche des matériaux de l'innovation.

La procédure générale étape par étape pour créer des modèles de nanospring atomistique consiste à utiliser les éléments suivants: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) code (open-aigreCE en langage C ++), (b) modèle de verre de silice en vrac (fichier d'entrée), (c) MATLAB interface graphique et les fichiers associés, et (d) le logiciel MATLAB (version 7) à l'aide d'une licence locale sur un PC LINUX. Articles (a) - (c) ci-dessus (code NanospringCarver, modèle de verre de silice, les fichiers MATLAB GUI) sont à télécharger en ligne ^{le 26} libre. MATLAB (Matrix Laboratory) est un langage de haut niveau pour le calcul numérique, visualisation, et le développement d'applications de MathWorks ^24, qui est principalement utilisé pour la visualisation des données et analyse, traitement d'image, et la biologie computationnelle.

Protocole

1. Préparer les fichiers NanospringCarver et partir MATLAB sur un PC sous Linux

Les étapes suivantes sont conçues pour une utilisation générale d'utiliser les fichiers fournis en ligne ^26.

1. Décompressez l'archive de fichier nanosprings.tar.gz dans la "Home" ou un autre répertoire préféré.
   1. Télécharger le fichier d'archive nanosprings.tar.gz depuis le dépôt de la bande ^26.
   2. Localisez l'archive téléchargée et le déplacer vers un répertoire de travail préféré intitulé «Documents / Nanosprings".
   3. Faites un clic droit nanosprings.tar.gz et sélectionnez "extraire ici" dans le menu contextuel du clic droit.
2. Vérifiez que tous les fichiers nécessaires sont présents dans le répertoire courant. Une liste de ces fichiers et leur but suit:
   Makefile - géré manuellement le fichier de compilation pour nanosprings.cpp et Point.cpp
   Nanospinternes rings.fig -MATLAB GUI
   Code Nanosprings.m -MATLAB GUI
   Point.cpp - Point (atome) définition de la classe
   Point.h - Point (atome) tête de classe
   Carve - nanosprings exécutable autonome
   example.par - exemple de fichier de paramètre
   glasscube.inp - fichier de données glasscube
   nanosprings.cpp - code nanosprings principal
   nanosprings_diagram.jpg - exemple nanospring pour l'affichage
   nanosprings.cpp MATLAB intégré - nanospringsmex.cpp
   nanospringsmex.mexglx - nanosprings MATLAB intégré exécutable
   Remarque: L'utilisateur devra créer le "nanospringsmex.mexglx" fichier exécutable pour la machine particulière Linux utilisée (version 32 bits dans cet exemple). Si cela n'a pas encore été fait, vérifier l'accès à la "mex" compilateur MATLABen tapant sur ​​la ligne de commande "qui Mex" et de vérifier l'existence du programme. Vérifiez également l'accès au programme MATLAB en tapant sur ​​la ligne de commande "qui matlab". Utilisation d'une ligne de commande à taper "MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp" va créer le fichier "nanospringsmex.mexglx" exécutable MATLAB intégré NanospringCarver, comme indiqué dans les instructions ci-dessous. Bien que non requis pour l'interface graphique, si on le souhaite une version autonome du programme NanospringCarver peuvent être créés en tapant "make" sur une ligne de commande. Cela compilera le nanosprings.cpp et éléments de programme Point.cpp ensemble pour créer la "tailler" fichier exécutable. Dans ce tutoriel, le "glasscube.inp" fichier contient des informations de position pour 192 000 atomes de silicium et d'oxygène representin bc modèle de verre de silice, avec chaque ligne contenant un code d'atome, le type d'atome, et x, y, z les coordonnées de l'atome. La première ligne du fichier est le nombre d'atomes totale (192 000). Les coordonnées atomiques dans ce fichier sont des valeurs relatives, qui se sont multipliés par 0,716 représenterait distances nanométriques.
3. Sur le bureau, ouvrez une fenêtre de terminal. Sur plusieurs versions de LINUX accomplir ce en appuyant simultanément sur la touche "Ctrl", les touches "T" "Alt" et.
4. Modifiez le répertoire pour le dossier dans lequel les fichiers de projet de nanosprings ont été extraites en tapant:
   Documents cd / Nanosprings /
5. Ensuite, exécutez la commande pour compiler le binaire pour le système en tapant:
   mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
6. Initier Suivant MATLAB en tapant matlab sur la ligne de commande

2. Modification et utilisation d'une interface utilisateur graphique (GUI) pour le Programme NanospringCarver

ove_content "> Suivez les étapes ci-dessous à l'aide des fichiers fournis en ligne ^26.

1. Ouvrez le guide dans MATLAB en cliquant sur ​​l'icône de guidage, sur la gauche zone de barre d'outils supérieure (figure 2), pour afficher une nouvelle fenêtre avec le démarrage rapide de guidage (Figure 3).

Figure 2: Interface utilisateur MATLAB montrant comment ouvrir MATLAB GUIDE.

Figure 3: GUIDE MATLAB l'interface d'initialisation.

2. Utilisez l'onglet "Ouvrir l'interface graphique existante» (figure 4) pour modifier un chiffre existant. Cliquez sur le bouton "Parcourir" pour rechercher l'interface graphique existantechiffre à modifier. Après avoir sélectionné le fichier de figure (Nanosprings.fig, voir encadré bleu), cliquez sur "Open" sur les deux fenêtres pour afficher une nouvelle fenêtre avec la figure de l'interface graphique. Repérez les boutons disponibles pour être utilisés pour la création graphique sur le panneau de gauche (figure 5).

Figure 4: Interface GUIDE MATLAB montrant comment ouvrir un fichier graphique de la figure existante.

Figure 5: interface GUIDE MATLAB outils montrant pour modifier un chiffre d'interface existant.

3. Pour exécuter l'interface graphique, cliquez sur "Exécuter" dans le cadre du "Outils "du menu. Puis, cliquez sur "Oui" quand une fenêtre pop-up demande si vous souhaitez enregistrer le chiffre avant la course. Une nouvelle fenêtre affiche l'interface graphique modifiée.
4. Si nécessaire, créer une autre interface graphique pour un matériau spécifique différent en utilisant cette interface comme un exemple.
5. Pour configurer l'exemple terme, cliquez d'abord sur le bouton «Sélectionner le fichier de modèle d'entrée" en haut de l'interface graphique et accédez à la "glasscube.inp" fichier. Sélectionnez ce fichier et cliquez sur «Ouvrir» pour fermer la fenêtre de navigation. Le fichier d'entrée sélectionné et chemin d'accès devraient maintenant apparaître dans la fenêtre de l'interface graphique à la droite du bouton "fichier de modèle d'entrée sélectionnés" (Figure 6).

Figure 6: Capture d'écran de l'utilisation de l'interface graphique pour créer un exemple de la silice modèle de nanospring.

6. Ensuite, utilisez le bouton "Parcourir" dans la section "Sortie du modèle" pour rechercher et sélectionner le répertoire pour enregistrer le modèle de sortie en. Assurez-vous que le répertoire de sortie est sélectionné activement pour que la course soit activé, même si il est un répertoire de sortie déjà répertorié dans la fenêtre d'accompagnement à la droite de ce bouton.
   Remarque: La valeur "Advance Paramètres Distance minimale" figurant (0.209311 figure 6) a été calculé spécifiquement pour le "glasscube.inp" fichier d'entrée fourni dans cet exemple, et devrait être laissé tel quel. Cette valeur peut être calculée comme nécessaire lors de la première utilisation d'un fichier d'entrée différent en entrant une valeur de "0" à cet endroit avant d'exécuter le modèle. Dans cet exemple, toutes les valeurs de paramètres sont en unités relatives en fonction du système de coordonnées d'entrée atomique. Si multiplié par 0,716 les valeurs des paramètres représenteraient distances nanométriques.
7. Exécutez l'exemple en utilisant les paramètres du ressort données de r = 1,0, R = 5.0, p = 1,5, et d = 0,209311 en appuyant sur ​​le bouton de l'interface graphique "Exécuter". Voir les commentaires de la course dans la fenêtre de commande MATLAB (Figure 7). Dans la réaction, vérifier que les paramètres de ressort sont confirmées, que le fichier de données d'entrée sont lues avec succès, et les résultats stockés dans le fichier de sortie appelé "modèle" sont décrits.

Figure 7: Commande MATLAB commentaires de course Nanosprings base-fenêtre GUI.

Remarque: Dans l'exemple ci-dessus, le «modèle» de fichier contient 5176 atomes constituant le ressort désiré, un par ligne, avec la première ligne donnant le nombre total d'atomesdans le fichier. Chaque ligne définissant un atome comprend l'identificateur d'atomes, le type d'atome, et x, y, z de cet atome.

8. Une fois l'interface graphique est finalisé, effectuer passages successifs par un clic droit sur ​​"Nanosprings.m" dans MATLAB «dossier actuel" fenêtre, puis sur "Exécuter" pour faire apparaître l'interface graphique directement.
   Note: Diverses références sont répertoriées ^27-31 pour plus d'informations sur MATLAB GUIDE et l'interface de guide de base.

3. Vérification NanospringCarver résultats dans un Visualizer Open-source ¹⁹

Les étapes suivantes sont conçues pour un mode général de visualiser et de vérifier les modèles de ressorts de sortie créés par NanospringCarver.

1. Utilisez le NanospringCarver MATLAB GUI comme décrit ci-dessus pour générer des fichiers pour l'entrée dans le programme de visualisation ^19. Lors de l'exécution du programme de visualisation, utilisez le "point actimangé fichier "option d'entrée, distinguer les différents types d'atomes par couleur, puis sélectionnez une grille frontière de l'axe du champ.
2. Mesurer les distances dans les modèles de printemps et faire une trace d'eux.
3. Comparez les données obtenues contre dimensions de printemps souhaités et vérifier l'exactitude modèle de printemps.

4. À l'aide NanospringCarver Résultats de simulations de MD traction Nanosprings

Les étapes suivantes sont résumées pour un utilisateur général d'utiliser les modèles de printemps créés par NanospringCarver comme entrée d'un open-source code MD conventionnel ^32.

1. Télécharger la dernière version de l'open-source programme MD LAMMPS. Reportez-vous à la documentation en ligne associée à des manuels et des exemples.
2. Déterminer les dimensions du modèle de nanospring souhaitée afin de préparer le modèle approprié de verre de silice en vrac initiale, comme indiqué avant ^18.
3. Créer le modèle de nanospring désiré en utilisant le NanospringCarver MATLAB GUI (voir Section 2 ci-dessus).
4. Effectuer des simulations de traction sur la nanospring souhaité, en étirant le modèle axialement ^11,13,23. Produire une vidéo représentant de modèle de nanospring étiré (voir figure 8, ci-dessous, et la figure animée 1) pour la visualisation et l'analyse. Les résultats scientifiques sur le comportement contrainte-déformation et la raideur de plusieurs modèles de nanospring sous tension ont été signalés ailleurs ^23.

Figure 8: Capture d'écran d'un nanospring de silice lors de la simulation de traction (voir également animé Figure 1).

Résultats

Les modèles de nanoruban atomiques créées avec la première procédure de calcul (code de nanorubans) et de leurs dimensions correspondantes sont indiquées à la figure 9. Les modèles de nanospring résultant à l'aide de la deuxième procédure de calcul (code de nanosprings) et les dimensions correspondantes sont indiquées à la figure 10.

Discussion

Modification de l'approche originale de créer des structures nanohelical conduit à l'élaboration de deux codes distincts pour permettre la création de deux nanorubans et nanosprings partir d'un modèle initial de MD en verre de silice en vrac. La vérification des modèles de nanoruban de silice et nanospring a été poursuivi en utilisant différents logiciels ^19-20, qui ont confirmé leur précision dimensionnelle dans la capacité de mesure des programmes. Comparaison entre nanosprings et nanorubans a é...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Logiciel de calcul numérique MATLAB	Mathworks	http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html	See Introduction et référence du protocole [24]
Code et fichiers du programme NanospringCarver	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Voir la section 1 du protocole (étape 1.2) et la référence [26]
Fichiers MATLAB GUI	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Voir la section 1 du protocole (étape 1.2) et Référence [26]
Fichier d’entrée atomistique en verre en vrac	UC Merced - open source	http://tinyurl.com/qame8dj	Voir la section 1 du protocole (étape 1.2) et la référence [26]
Logiciel de visualisation IFrIT	Logiciel open source	http://sites.google.com/site/ifrithome/	Voir la section 3 du protocole et Référence [19]
Logiciel de dynamique moléculaire LAMMPS	Logiciel	open sourcehttp://lammps.sandia.gov/	Voir la section 4 du Protocole et la référence [32]