予測研究および拡張の3D可視化のためのスケーラブルなNanohelices

サマリー

nanohelical構造の正確なモデリングは、新規ナノテクノロジー応用につながる予測シミュレーション研究のために重要である。現在、ソフトウェアパッケージおよびコードは、原子論らせんモデルを作成する際に制限されています。私たちは2つのシミュレーションのための原子論nanohelicalモデルを作成するように設計手順、および可視化を通じて、研究を強化するためのグラフィカル·インターフェースを提示する。

要約

ばね状材料は、本質的に、エネルギーハーベスティング、水素貯蔵、および生物学的検知用途のためのナノテクノロジーへの関心の遍在する。予測シミュレーションでは、正確nanohelicesの構造をモデル化できることがますます重要になってきている。一つは現実的なモデルを開発する必要があり、これらの複雑な形状の特性に局所的な構造の効果を研究するために。現在までに、ソフトウェア·パッケージではなく、原子レベルのらせんモデルの作成に限定されている。この作品は、分子動力学（MD）シミュレーションのため原子論シリカガラスのモデル（SiO _2）のナノリボン及びナノスプリングを生産に焦点を当てています。 「バルク」シリカガラスのMDモデルを使用して、正確にナノリボン及びナノスプリングの形状を作成するための2つの計算手順を提示する。最初の方法は効果的に私からシリカナノリボンの様々な形状を彫るためにAWKプログラミング言語とオープンソースソフトウェアを採用ヘリックスを定義するために所望の寸法及びパラメトリック方程式を使用してnitialバルクモデル。この方法では、正確な原子レベルのシリカナノリボンは、ピッチ値および寸法の範囲を生成することができる。第二の方法は、モデリングnanohelical構造における柔軟性を可能にする、より堅牢なコードが含まれます。このアプローチは、特に、ナノスプリングモデルを作成する際に高い精度と効率が、事前スクリーニング方法、ならびにらせんのための数学的方程式を実装するために書かれたC ++コードを利用する。これらのコードを使用し、原子レベルのシミュレーションに適した、明確に定義されたスケーラブルなナノリボン及びナノスプリングを効果的に作成することができる。両方のオープンソース·コード内の付加価値は、それらが、材料の独立した異なるらせん構造を再現するように適合され得ることである。また、MATLABグラフィカルユーザインタフェース（GUI）は、原子レベルのヘリと、一般ユーザのための視覚化および相互作用を介して、学習向上させるために使用されるCALの構造。これらの方法の一つの用途は、機械的エネルギーハーベスティングの目的のためにMDシミュレーションを介してnanohelicesの最近の研究である。

概要

新しいアプローチは、文献³に報告されているが、ヘリカルナノ構造は、典型的には、化学気相堆積法^1-2用いて実験室で製造される。特に、ナノスプリングおよびナノリボンは、それらの個別の特性やセンサー、光学、電気機械や流体装置^4-7の有望なアプリケーションで研究されている。合成方法は、これらの構造を階層的システムのための潜在的な構成要素単位を作り、シリカ（SiO _2）ナノリボンを生成することが報告されている。診断用途のために^9-10のZnO ⁸またはナノ粒子で被覆されたときの3Dシリカナノスプリングの新規合成は、ケミレジスタに自社のアプリケーションを拡大してきました。

シリカナノスプリングとナノリボンの機械的特性に関する実験的研究は主に、操作及び試験方法やequipmeの現在の制限のために、不足しているNT。ナノ構造とナノスプリングのナノメカニクスの調査では、理論やシミュレーション^11-14を使用して報告されている。彼らは実験を通して完全に開かない政権を探索することができますので、いくつかのシミュレーション^13は、アモルファスナノスプリングのナノ機械の挙動に焦点を当てている。金属ナノスプリングの原子論的研究は、弾性特性¹⁵のサイズ依存性を調べるために、文献に報告されており、最近でらせん結晶性シリカのナノ構造のナノメカニクスは¹⁴ナノスプリング構造の実験的試験はまた、螺旋状のカーボンナノ構造として、異なる材料で実施されているカーボンナノコイル^16-17。知識にもかかわらず、これまでに集められ、これらの新規なナノ構造体の機械的特性のより完全な理解は、将来のナノデバイスの製造の取り組みのために必要とされる。

MD試験シリカgのような小娘（非結晶性シリカ）nanohelicesはまだ制限されてい、このような構造の原子レベルのモデリングは、カスタマイズされたコードを作成する必要があります。シリカガラスの螺旋のMDモデルを作成するのは、他の代替方法は、最近の文献検索の際に、これまでに同定されていない。本研究では、ナノスプリングおよびナノリボンを含むらせん状シリカガラスのナノ構造の原子レベルのモデリングにボトムアップアプローチは、将来の大規模のMDナノ機械シミュレーションに追求されている。一般的なアプローチは、以前に報告されているように¹⁸ MD「バルク」石英ガラスモデルの作成 ​​が含まれ、この目的のために開発された2堅牢適応コンピュータコードを介してこの「バルク」サンプルから様々ならせん状ナノ構造を切り開く。両方の計算手順は、偉大な効率性と原子論ディテールナノリボン及びナノスプリングモデルを作成するための明確な方法を提供します。これらの構造は、大規模な原子レベルのシミュレーションに適している。また、カスタマイズされたグラフィカル·ユーザ·インターフェースは、らせん構造の作成および視覚化を容易にするために使用される。

「バルク」石英ガラスモデルの構造は、最初に室温で作成される。大規模なMDシミュレーションは、比較的計算効率と大規模なシステムに適している先行研究¹⁸に原子間ポテンシャルと類似Garofaliniを使用して、この目的のために行われている。最初の「バルク」石英ガラス構造が立方モデルで構成され（14.3 xは14.3 xは14.3ナノメートル^3）192,000原子を含む。 「バルク」石英ガラスモデルは周期境界条件を用いて初期状態を得るために、0.5ナノ秒、300 Kで平衡化する。

2つの計算手順を設計し、原子レベルのシリカナノリボン及びナノスプリングモデルを作成するために利用される。最初の方法はからシリカナノリボンを切り開く関与ヘリックスを定義するパラメトリック方程式を使用して、「バルク」構造、およびその形状（ピッチ、螺旋の半径は、ワイヤ半径）。この手順は、AWKプログラミング言語、LINUXオペレーティングシステム、およびオープンソースの可視化ソフトウェア^19を使用すること^を含む。ナノリボンの原子論的なモデルを作成するための一般的な反復手順を含む：（1）事前に定義された螺旋状の機能に対する空間内の点の選択された原子からの距離を算出する「バルク」石英ガラスモデル、（2）中の原子を選択し、 （3）所望のナノリボンの半径にこの距離を比較し、（4）出力データ·モデル内の原子を破棄するか、維持する。この方法の詳細なステップバイステップの説明は、 スケーラブルなオープンソースコード補足資料に含まれています。この方法では、いくつかのシリカナノリボンは、続いて測定したヘリックスおよびナノリボン半径の値の異なるピッチ、半径を使用して作成された分子解析と可視化ソフトウェア^19-20で所望の寸法値に対する精度。シリカナノリボンの原子論的モデルは、機能的な幾何学的形状（ピッチの高い値とナノリボン半径の低い値）で生成した。誤って除外原子からなるいくつかのアーチファクトは、より少ない滑らかなナノリボン表面に至る極めて高いナノリボンの半径の値と非常に低いピッチの値で観察された。同様の方法は、シリカナノワイヤ^21-23を作成するプロセスで使用されてきた。

ここに提示され第二の方法は、螺旋のための数式に加えて効率を向上させるために、事前のスクリーニング方法を実施することによって、「バルク」シリカ構造のシリカナノスプリングを切り開くことを含む。この手順では、これらのらせん状のナノ構造をモデル化することでより大きな柔軟性を可能にするために、より堅牢なC ++コードを作成する必要がありました。 atomisを作成するための反復法ナノスプリングのチックモデルは、（1）螺旋経路外にあることが保証すべての原子を破棄し、（2）決定論的に螺旋経路上の点を選択すること、（3）選択された時点までの特定の距離内のすべての原子を比較すること、および（4 ）廃棄または出力データ·モデル内の各原子を格納する。このメソッドのステップバイステップの説明は、 スケーラブルなオープンソースコード補足資料に含まれています。この方法では、いくつかのシリカナノスプリングモデルはとして変化寸法（ワイヤ半径、螺旋の半径、およびナノスプリングのピッチ）で得られた図1に示されている。高精度のシリカナノスプリングモデルは、ナノスプリングのために極端な（低い及び高い）ピッチ値で発見アーチファクトの証拠は、この方法で効率的に得られた。この方法のためのグラフィカルユーザインタフェースの作成 ​​および使用は、 プロトコルセクションに記載されている。

図1：R、Rおよびpは 、それぞれ、ワイヤ半径、螺旋の半径とピッチを表し、H は螺旋構造²³の全体の高さを表す特徴的な寸法を示す一般的なヘリックス構造。

このプロトコルは、Linux ^25、PC上のMATLAB ^24を実行して、NanospringCarverファイルを準備し、原子論的ナノスプリングモデルを準備するグラフィカル·ユーザ·インタフェースを使用する方法について説明します。これらの以前は利用できなかったモデルは、新規分子動力学の基礎（MD）材料イノベーション研究に向けて²³シミュレーションなどの機能します。

原子論ナノスプリングモデルを作成するための一般的なステップバイステップの手順は、次の要素を使用することを含む：（a）のNanospringCarver（。V 0.5ベータ）コード（オープンサワーC ++言語でCE）、（b）は、バルクシリカガラスモデル（入力ファイル）、（c）は、MATLABのGUIインタフェースおよび関連ファイル、および（d）MATLABソフトウェア（バージョン7）LINUX PC上のローカルライセンスを使用。アイテムは、（a） - （NanospringCarverコード、石英ガラスモデル、MATLAB GUIファイル）上記の（c）は、オンライン^26をダウンロードして無料である。 MATLAB（マトリックス研究所）は、主にデータの可視化および解析、画像処理、計算生物学のために使用されるのMathWorks ²⁴から数値計算、可視化、およびアプリケーション開発のための高レベルの言語である。

プロトコル

1. NanospringCarverファイルの準備とLinux PC上でMATLABを起動する

以下のステップは、オンライン^26を提供されたファイルを利用する一般的なユーザのために設計されている。

1. 「ホーム」または別の好適なディレクトリにnanosprings.tar.gzファイルアーカイブを解凍します。
   1. Webリポジトリ²⁶からnanosprings.tar.gzファイルアーカイブをダウンロードします。
   2. ダウンロードしたアーカイブを見つけて、「ドキュメント/ナノスプリング」と題された優先作業ディレクトリに移動します。
   3. nanosprings.tar.gzを右クリックして、右クリックのコンテキストメニューから「ここで抽出物」を選択します。
2. 必要なすべてのファイルが現在のディレクトリに存在していることを確認します。それらのファイルのリストとその目的は以下の通り：
   Makefileは-手動nanosprings.cppとPoint.cppのコンパイルファイルを管理し
   Nanosprings.fig -MATLAB GUI内部
   Nanosprings.m -MATLAB GUIコード
   Point.cpp -ポイント（アトム）クラス定義
   Point.h -ポイント（アトム）クラスのヘッダー
   彫る-スタンドアロンの実行可能ナノスプリング
   example.par -例パラメータ·ファイル
   glasscube.inp - glasscubeデータファイル
   nanosprings.cpp -メインナノスプリングコード
   nanosprings_diagram.jpg -たとえばディスプレイ用ナノスプリング
   nanospringsmex.cpp - MATLABに統合nanosprings.cpp
   nanospringsmex.mexglx -実行ファイルは、MATLABに統合されたナノスプリング
   注：ユーザーが（この例では32ビット版）を使用している特定のLinuxマシンのための「nanospringsmex.mexglx「実行可能ファイルを作成する必要があります。これはまだ行われていない場合は、MATLAB「MEX」コンパイラへのアクセスを確認「mexで 「コマンドラインで入力し、プログラムの存在を確認することによって。また、「MATLAB」コマンドライン上で入力することで、MATLABのプログラムへのアクセスを検証します。下記の手順に示すように、「MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp " を入力するには、コマンドラインを使用すると、「nanospringsmex.mexglx「実行可能なMATLABの統合されたNanospringCarverファイルを作成します。 GUIインターフェイスのために必須ではありませんが、NanospringCarverプログラムのスタンドアロンバージョンを必要に応じて、コマンドラインで「 作る 」と入力して作成することができます。これは、「 彫る 」実行可能ファイルを作成するために一緒にnanosprings.cppとPoint.cppプログラム要素をコンパイルします。このチュートリアルでは、「glasscube.inp "ファイルはrepresentin 192,000ケイ素原子と酸素原子の位置情報が含まれていますガシリカガラスモデルは、各原子のIDを含む行、原子タイプであり、x、yは、zは原子座標。ファイルの最初の行は、全原子数（192,000）である。このファイル内の原子座標は、ナノメートルの距離を表すことに0.716を掛けた場合の相対値です。
3. デスクトップ上で、ターミナルウィンドウを開きます。多くのLinuxバージョンでは、同時に "Ctrlキー"、 "Altキー"を押すと「T」キーでこれを達成する。
4. ナノスプリングプロジェクトファイルを入力することによって抽出された先のフォルダにディレクトリを変更します。
   CDドキュメント/ナノスプリング/
5. 次に、次のように入力して、システム用のバイナリをコンパイルするコマンドを実行します。
   MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp
6. 次のコマンドライン上でMATLABを入力して、MATLABを開始

2.変更とNanospringCarverプログラムへのグラフィカルユーザーインタフェース（GUI）を使用して

ove_content ">オンライン²⁶提供されたファイルを使用して、以下の手順に従ってください。

1. GUIDEのクイックスタート（ 図3）を使用して新しいウィンドウを表示し、左上のツールバー領域（ 図2）上で、ガイドのアイコンをクリックすることで、MATLABでガイドを開きます。

図2：MATLAB GUIDEを開く方法を示すMATLABのユーザーインターフェース 。

図3：MATLAB GUIDEインターフェース初期化。

2. 既存のFigureを変更するには、「オープン既存のGUI」タブ（ 図4）を使用します。既存のGUIを検索するには「参照」ボタンをクリックしてください図は、変更される。 Figureファイルを選択した後（Nanosprings.figを、青いボックスを参照）、GUIのFigureを使用して新しいウィンドウを表示するには、両方のウィンドウに"開く"をクリックしてください。左のパネル（ 図5）上のGUIの作成 ​​のために利用することが可能なボタンの位置を確認します。

図4：既存のGUIのFigureファイルを開く方法を示すMATLABのGUIDEインターフェイス。

図5：既存のGUIのFigureを変更するためのツールを示すMATLABのGUIDEインターフェイス。

3. GUIを実行するためには、下の「ファイル名を指定して実行」をクリックしてください "ツール "メニュー。すると、ポップアップウィンドウが実行する前に姿を保存するかどうかを求められたら「はい」をクリックしてください。新しいウィンドウが変更されたGUIを表示。
4. 必要な場合は、例として、このGUIを使用して、異なる特定の材料のための別のGUIを作成します。
5. 最初のGUIの上部にある「入力モデルファイルを選択」ボタンをクリックして「glasscube.inp」ファイルに移動し、例の実行を設定するには。このファイルを選択し、ブラウジングウィンドウを閉じるには、「開く」をクリックします。それに選択した入力ファイルとパスは現在、「選択した入力モデルファイル」ボタン（ 図6）の右にあるGUIウィンドウに表示されるはずです。

図6：例えばシリカナノスプリングモデルを作成するためにGUIを使用してのスクリーンショット。

6. 次に、ブラウズしに出力モデルを保存するディレクトリを選択し、「出力モデル」セクションにある「参照」ボタンを使用します。すでにこのボタンの右側に付随するウィンドウにリスト出力ディレクトリがあっても、出力ディレクトリを積極的に有効にするために実行するために選択されていることを確認。
   注：記載されている「アドバンスパラメータの最小距離」の値（ 図6の0.209311）は、この例で提供される「glasscube.inp "入力ファイルのために特別に計算された、とされるようにしておく必要があります。この値は、モデルを実行する前に、この場所に「0」の値を入力することによって、異なる入力ファイルの最初の使用時に必要に応じて計算することができる。この例では、すべてのパラメータ値が入力され、原子座標系と一致するように相対的な単位である。 0.716を乗じた場合、パラメータ値は、ナノメートルの距離を表す。
7. GUI「実行」ボタンを押すことにより、r = 1.0、R = 5.0、p = 1.5、およびd = 0.209311についてスプリングパラメータを使用して例を実行する。 MATLABコマンドウィンドウで実行からの眺めフィードバック（ 図7）。フィードバックでは、バネのパラメータは入力データファイルが正常に読み取られることを確認し、「 モデル 」という名前の出力ファイルに格納された結果が記載されていることを確認する。

図7：GUIベースのナノスプリングランからMATLABコマンドウィンドウからのフィードバック。

注：上記の例では、ファイル" モデルは "最初の行は原子の総数を与えて、所望のばね、1行に1つを含む、5176個が含まれていますファイル内。原子を定義する各行は、原子番号、原子のタイプ、およびその原子のx、y、z座標を含む。

8. GUIインターフェイスが確定したら、MATLABの「現在のフォルダ」ウィンドウに「Nanosprings.m」の上で右クリックすることで、連続実行を行い、直接GUIインターフェイスを立ち上げ、「ファイル名を指定して実行」を選択する。
   注：様々な参照は、MATLABガイドおよび基本GUIDEインターフェイスに関する追加情報については^、27-31にリストされています。

オープンソースのビジュアライザ¹⁹ 3.確認NanospringCarver結果

次の手順は、NanospringCarverによって作成された出力春モデルを視覚化し、検証するための一般的なユーザーのために設計されています。

1. 上記のように視覚化プログラム¹⁹に入力するためにファイルを生成するためにNanospringCarver MATLAB GUIを使用してください。視覚化プログラムを実行しているときに、「点coordinを使用「入力オプションを提出色で原子タイプを区別して、フィールドの軸グリッドの境界線を選択して食べました。
2. 春モデルで距離を測定し、それらの記録を作る。
3. 所望のばねの寸法に対して測定データを比較し、春モデルの精度を検証する。

4.ナノスプリングのMD引張シミュレーションでNanospringCarver結果を用いて

以下の手順は、従来のオープンソースのMDコード³²への入力としてNanospringCarverによって作成バネモデルを使用するための一般的なユーザのためにまとめられている。

1. オープンソースのMDプログラムLAMMPSの最新バージョンをダウンロードしてください。マニュアルや例については、関連するオンラインドキュメントを参照してください。
2. ¹⁸前に報告されているように、適切な初期バルクシリカガラスモデルを準備するために、所望のナノスプリングモデルの寸法を決定する。
3. NanospringCarver MATLAB GUIを使用して所望のナノスプリングモデルを作成します（セction 2上）。
4. 軸方向に^11,13,23モデルを延伸することにより、目的のナノスプリングで引っ張りシミュレーションを行う。可視化および分析のために（下の図8を参照してください、そしてアニメーション図1）延伸ナノスプリングモデルの代表ビデオを制作。張力下で、いくつかのナノスプリングモデルの応力-ひずみ挙動と剛性に関する科学的結果は、他の場所で²³報告されている。

図8：引張シミュレーション中のシリカナノスプリングのスクリーンショット （これもアニメーション図1を参照）。

結果

第1の計算手順（ナノリボンコード）で作成された原子レベルナノリボンモデルとそれに関連する寸法は、 図9に示されている。第2の計算手順（ナノスプリングコード）と関連付けられた寸法を使用して得られたナノスプリングモデルは、図10に示されている。

図9.原子論所望の寸法を有するシリカナノリボンのモデル：R（ナノリボン半径）= 1.07 nmの、R（螺旋の半径）= 5.37 nmのであり、p（ピッチ）= 7.16 nmの。 - （f）は、対角線のビューは、（a）は上面図、（b）は側面図、（c）は、追加の回転に伴って側面図、及び（d）：スナップショットは、ナ...

ディスカッション

nanohelical構造を作成するための元のアプローチの変更は、最初のバルクシリカガラスMDモデルからナノリボン及びナノスプリングの両方の生成を可能にするために二つの別個のコードの開発につながった。シリカナノリボン及びナノスプリングモデルの検証は、プログラムの測定能力の範囲内で、その寸法精度が確認された別のソフトウェアパッケージ^19-20を使用して追求された。ナノスプリングとナノリボンの間の比較は、追加のジオメトリ検証もたらし異なる側面及び角度からモデルを重ね合わせることにより行った。何らかのバルク材料モデルのサイズや他の材料からのモデリングnanohelical構造における潜在的使用と使用のために彼らのスケーラビリティへの付加価値を、明確な方法で、らせん状ナノ構造体を作成し、このプロジェクトで開発された計算方法の両方。ここで提示得られたモデルは、検出可能なアーチファクト（aは存在しない示した希望nanohelical構造から欠落しているタム）はメソッドのいずれかを使用して生成された。また、この研究で開発された計算方法は、単に螺旋を定義正弦および余弦関数の順序を反転させ、右利きまたは左利きのらせんナノ構造を作成...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
MATLAB数値計算ソフトウェア	Mathworks	http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html	プロトコルの紹介とリファレンスを参照 [24]
NanospringCarverプログラムコードとファイル	UCマーセド - オープンソース	http://tinyurl.com/qame8dj	プロトコルセクション1(ステップ1.2)およびリファレンス[26]
MATLAB GUIファイル	UC Merced - オープンソース	http://tinyurl.com/qame8dj	プロトコルセクション1（ステップ1.2)およびリファレンス[26]
原子バルクガラス入力ファイル	UCマーセド-オープンソース	http://tinyurl.com/qame8dj	プロトコルセクション1(ステップ1.2)および参照[26]
IFrIT視覚化ソフトウェア	オープンソースソフトウェア	http://sites.google.com/site/ifrithome/	プロトコルセクション3および参照[19]
LAMMPS分子動力学ソフトウェア	オープンソースソフトウェア	http://lammps.sandia.gov/	プロトコルセクション4およびリファレンス[32]を参照