Artykuł metodologiczny

Skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3D

DOI:

10.3791/51372

⸱

12 listopada 2014

 ,  ,  , 
1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced, 2Computer Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced

W tym artykule

Informacja o sprostowaniu

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dokładne modelowanie struktur nanohelisowych jest ważne dla predykcyjnych badań symulacyjnych prowadzących do nowatorskich zastosowań nanotechnologii. Obecnie pakiety oprogramowania i kody są ograniczone w tworzeniu atomistycznych modeli spiralnych. Prezentujemy dwie procedury przeznaczone do tworzenia atomistycznych modeli nanohelisowych do symulacji, oraz interfejs graficzny do usprawnienia badań poprzez wizualizację.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Materiały podobne do sprężyn są wszechobecne w przyrodzie i są przedmiotem zainteresowania nanotechnologii do pozyskiwania energii, magazynowania wodoru i zastosowań w czujnikach biologicznych. Dla symulacji predykcyjnych coraz ważniejsza staje się możliwość dokładnego modelowania struktury nanohelis. Aby zbadać wpływ lokalnej struktury na właściwości tych złożonych geometrii, należy opracować realistyczne modele. Do tej pory, Pakiety oprogramowania są raczej ograniczone w tworzeniu atomistycznych modeli spiralnych. Prace te koncentrują się na wytwarzaniu atomistycznych modeli nanowstążek i nanosprężyn ze szkła krzemionkowego (SiO2) do symulacji dynamiki molekularnej (MD). Korzystając z modelu MD "masowego" szkła krzemionkowego, przedstawiono dwie procedury obliczeniowe do precyzyjnego tworzenia kształtu nanowstążek i nanosprężyn. Pierwsza metoda wykorzystuje język programowania AWK i oprogramowanie typu open source, aby skutecznie rzeźbić różne kształty nanowstążek krzemionkowych z początkowego modelu masowego, używając żądanych wymiarów i równań parametrycznych do zdefiniowania helisy. Dzięki tej metodzie, Dokładne atomistyczne nanowstęgi krzemionkowe mogą być generowane dla różnych wartości podziałki i wymiarów. Druga metoda obejmuje bardziej niezawodny kod, który pozwala na elastyczność w modelowaniu struktur nanohelikalnych. Podejście to wykorzystuje kod C++ napisany specjalnie do implementacji metod wstępnej selekcji, a także równań matematycznych dla helisy, co skutkuje większą precyzją i wydajnością podczas tworzenia modeli nanosprężyn. Korzystając z tych kodów, Można skutecznie tworzyć dobrze zdefiniowane i skalowalne nanowstążki i nanosprężyny nadające się do symulacji atomistycznych. Wartością dodaną w obu kodach open source jest to, że można je dostosować do odtwarzania różnych struktur spiralnych, niezależnie od materiału. Ponadto graficzny interfejs użytkownika (GUI) MATLAB jest używany do usprawnienia uczenia się poprzez wizualizację i interakcję dla zwykłego użytkownika z atomistycznymi strukturami spiralnymi. Jednym z zastosowań tych metod jest niedawne badanie nanohelis za pomocą symulacji MD do celów pozyskiwania energii mechanicznej.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spiralne nanostruktury są zazwyczaj wytwarzane w laboratorium przy użyciu technik chemicznego osadzania z fazy gazowej1-2, podczas gdy nowe podejścia zostały opisane w literaturze3. W szczególności nanosprężyny i nanowstążki były badane ze względu na ich odrębne właściwości i obiecujące zastosowania w czujnikach, optyce oraz urządzeniach elektromechanicznych i fluidycznych4-7. Doniesiono, że metody syntezy wytwarzają krzemionkę (SiO2), co sprawia, że struktury te mogą być potencjalnymi jednostkami budulcowymi dla systemów hierarchicznych. Nowatorska synteza 3D nanosprężyn krzemionkowych rozszerzyła ich zastosowania na chemiorezystory pokryte ZnO8 lub nanocząstki do zastosowań diagnostycznych9-10.

Badania eksperymentalne nad właściwościami mechanicznymi nanosprężyn krzemionkowych i nanowstążek są rzadkie, głównie z powodu obecnych ograniczeń w metodach manipulacji i testowaniu oraz sprzęcie. Badania nad nanomechaniką nanostruktur i nanosprężyn zostały zgłoszone przy użyciu teorii i symulacji11-14. Niektóre symulacje13 skupili się na nanomechanicznym zachowaniu amorficznych nanosprężyn, ponieważ mogą badać reżimy, które nie są w pełni dostępne poprzez eksperymenty. W literaturze opisano badania atomistyczne nanosprężyn metalicznych w celu zbadania zależności wielkości właściwości sprężystych15, a ostatnio nanomechaniki spiralnych nanostruktur krzemionki krystalicznej14.Przeprowadzono również eksperymentalne testy struktur nanosprężyn w różnych materiałach, takich jak spiralne nanostruktury węglowe i nanocewki węglowe16-17. Pomimo zgromadzonej do tej pory wiedzy, dla przyszłych wysiłków związanych z produkcją nanourządzeń potrzebne jest pełniejsze zrozumienie właściwości mechanicznych tych nowych nanostruktur

.

Ponieważ badania MD nanohelis szkła krzemionkowego (niekrystalicznego) są nadal dość ograniczone, atomistyczne modelowanie takich struktur wymaga stworzenia niestandardowych kodów. Żadne inne alternatywne metody tworzenia spiralnych modeli MD ze szkła krzemionkowego nie zostały do tej pory zidentyfikowane podczas ostatnich poszukiwań w literaturze. W tej pracy poszukuje się oddolnego podejścia do atomistycznego modelowania spiralnych nanostruktur ze szkła krzemionkowego, w tym nanosprężyn i nanowstążek przyszłych wielkoskalowych symulacji nanomechanicznych MD. Ogólne podejście polega na stworzeniu "masowego" modelu szkła krzemionkowego MD, jak opisano wcześniej18, oraz wyrzeźbieniu różnych spiralnych nanostruktur z tej "masowej" próbki za pomocą dwóch solidnych i adaptowalnych kodów komputerowych opracowanych w tym celu. Obie procedury obliczeniowe oferują odrębny sposób tworzenia modeli nanowstążek i nanosprężyn z dużą wydajnością i atomową szczegółowością; Struktury te nadają się do symulacji atomistycznych na dużą skalę. Ponadto używany jest dostosowany graficzny interfejs użytkownika ułatwiający tworzenie i wizualizację struktur śrubowych.

Struktura modelu "mask" szkła krzemionkowego jest początkowo tworzona w temperaturze pokojowej. W tym celu przeprowadzane są symulacje MD na dużą skalę, wykorzystując potencjał międzyatomowy Garofalini, podobny do wcześniejszych badań18, który jest stosunkowo wydajny obliczeniowo i odpowiedni dla dużych systemów. Początkowa "masowa" struktura szkła krzemionkowego składa się z modelu sześciennego (14,3 x 14,3 x 14,3 nm3), który zawiera 192 000 atomów. Model "masowego" szkła krzemionkowego jest równoważony w temperaturze 300 K przez 0,5 nsec, aby uzyskać stan początkowy przy użyciu okresowych warunków brzegowych.

Dwie procedury obliczeniowe są zaprojektowane i wykorzystywane do tworzenia atomistycznych modeli nanowstążek krzemionkowych i nanosprężyn. Pierwsza metoda polega na wycinaniu nanowstążek krzemionkowych ze struktury "mask" za pomocą równań parametrycznych, które definiują helisę i jej geometrię (skok, promień helisy i promień drutu). Ta procedura obejmuje użycie języka programowania AWK, system operacyjny LINUX i oprogramowanie do wizualizacji typu open source19. Ogólna procedura iteracyjna tworzenia atomistycznych modeli nanowstążek obejmuje: (1) wybór atomu w "masowym" modelu szkła krzemionkowego, (2) obliczenie odległości od wybranego atomu do punktu w przestrzeni na predefiniowanej funkcji spiralnej, (3) porównanie tej odległości z promieniem pożądanej nanowstążki, oraz (4) odrzucenie lub pozostawienie atomu w wyjściowym modelu danych. Szczegółowy opis krok po kroku dla tej metody znajduje się w Scalable Open-Source Codes Supplemental Material. Dzięki tej metodzie stworzono kilka nanowstążek krzemionkowych przy użyciu różnych wartości skoku, promienia helisy i promienia nanowstążki, które następnie zmierzono pod kątem dokładności w stosunku do pożądanych wartości wymiarowych za pomocą oprogramowania do analizy molekularnej i wizualizacji19-20. Wygenerowano atomistyczne modele nanowstążek krzemionkowych z geometriami funkcjonalnymi (wysokie wartości skoku i niskie wartości promienia nanowstęgi). Niektóre artefakty, składające się z atomów wykluczonych w wyniku błędu, prowadzące do mniej gładkiej powierzchni nanowstążki, zaobserwowano przy niezwykle wysokich wartościach promienia nanowstęgi i wyjątkowo niskich wartościach skoku. Podobne metody zastosowano w procesie tworzenia nanodrutów krzemionkowych21-23.

Druga metoda przedstawiona tutaj obejmuje wycinanie nanosprężyn krzemionkowych z "masowej" struktury krzemionki poprzez implementację metod wstępnego przesiewania w celu zwiększenia wydajności, oprócz równań matematycznych dla helisy. Ta procedura wymagała stworzenia bardziej solidnego kodu C++, aby umożliwić większą elastyczność w modelowaniu tych spiralnych nanostruktur. Iteracyjna metoda tworzenia atomistycznych modeli nanosprężyn obejmuje: (1) odrzucenie wszystkich atomów, które na pewno wypadną poza ścieżkę spiralną, (2) deterministyczne wybranie punktu na ścieżce spiralnej, (3) porównanie wszystkich atomów w określonej odległości do tego wybranego punktu oraz (4) odrzucenie lub zapisanie każdego atomu w wyjściowym modelu danych. Opis krok po kroku dla tej metody jest również zawarty w Scalable Open-Source Codes Supplemental Material.Dzięki tej metodzie uzyskano kilka modeli nanosprężyn krzemionkowych o różnych wymiarach (promień drutu, promień spirali i skok nanosprężyny), jak pokazano na rysunku 1. Dzięki tej metodzie uzyskano wysoce precyzyjne modele nanosprężyn krzemionkowych, bez dowodów na artefakty znalezione przy ekstremalnych (niskich i wysokich) wartościach skoku dla nanosprężyny. Tworzenie i używanie graficznego interfejsu użytkownika dla tej metody opisano w Protokole sekcja.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Ogólna struktura śrubowa przedstawiająca charakterystyczne wymiary, gdzie r, R i p reprezentują odpowiednio promień drutu, promień spirali i skok. H oznacza całkowitą wysokość konstrukcji śrubowej23.

Ten protokół opisuje, jak przygotować pliki NanospringCarver, uruchamiając MATLAB24 na komputerze z systemem LINUX25, i używając graficznego interfejsu użytkownika do przygotowania atomistycznych modeli nanosprężyn. Te wcześniej niedostępne modele służą jako podstawa dla nowatorskich symulacji dynamiki molekularnej (MD)23 w kierunku badań nad innowacjami materiałowymi.

Ogólna procedura tworzenia atomistycznych modeli nanosprężyn krok po kroku obejmuje użycie następujących elementów: (a) kod NanospringCarver (v. 0.5 beta) (open-source w języku C++), (b) model szkła krzemionkowego (plik wejściowy), (c) interfejs GUI MATLAB i powiązane pliki, oraz (d) oprogramowanie MATLAB (wersja 7) korzystające z lokalnej licencji na komputerze z systemem LINUX. Punkty (a)-(c) powyżej (kod NanospringCarver, model szkła krzemionkowego, pliki MATLAB GUI) można pobrać bezpłatnie online26. MATLAB (Matrix Laboratory) to język wysokiego poziomu do obliczeń numerycznych, wizualizacji i tworzenia aplikacji z MathWorks24, który jest najczęściej używany do wizualizacji i analizy danych, przetwarzania obrazów i biologii obliczeniowej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie plików NanospringCarver i uruchomienie MATLABa na komputerze z systemem LINUX

Poniższe kroki są przeznaczone dla zwykłego użytkownika, który może korzystać z plików dostępnych online26.

  1. Rozpakuj archiwum plików nanosprings.tar.gz do katalogu "Home" lub innego preferowanego katalogu.
    1. Pobierz archiwum plików nanosprings.tar.gz z repozytorium internetowego26.
    2. Zlokalizuj pobrane archiwum i przenieś je do preferowanego katalogu roboczego o nazwie "Documents/Nanosprings".
    3. Kliknij nanosprings.tar.gz prawym przyciskiem myszy i wybierz "wyodrębnij tutaj" z menu kontekstowego prawego przycisku myszy.
  2. Sprawdź, czy wszystkie wymagane pliki znajdują się w bieżącym katalogu. Lista tych plików i ich przeznaczenie znajduje się poniżej:
    Makefile – ręcznie zarządzany plik kompilacji dla nanosprings.cpp i Point.cpp
    Nanosprings.fig –Elementy wewnętrzne MATLAB GUI
    Nanosprings.m –Kod graficznego interfejsu użytkownika MATLAB
    Point.cpp – Definicja klasy punktowej (atomowej<br /> Point.h – Nagłówek klasy punktowej (atom<br /> Carve – samodzielny plik wykonywalny NanoSprings
    example.par – przykładowy plik parametrów
    glasscube.inp – plik danych glasscube
    nanosprings.cpp – główne źródła nanosprężynowe kod
    nanosprings_diagram.jpg – przykładowa nanosprężyna do wyświetlacza
    nanospringsmex.cpp – zintegrowany z MATLAB nanosprings.cpp
    nanospringsmex.mexglx – plik wykonywalny nanosprężyn zintegrowany z MATLAB
    nuta: Użytkownik będzie musiał utworzyć plik wykonywalny "nanospringsmex.mexglx" dla konkretnej używanej maszyny z systemem Linux (w tym przykładzie wersja 32-bitowa). Jeśli jeszcze tego nie zrobiono, sprawdź dostęp do kompilatora MATLAB "mex", wpisując w wierszu poleceń "which mex" i weryfikując istnienie programu. Sprawdź również dostęp do programu MATLAB, wpisując w wierszu poleceń "który matlab". Użycie wiersza poleceń do wpisania "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" spowoduje utworzenie pliku wykonywalnego NanospringCarver "nanospringsmex.mexglx" zintegrowanego z MATLAB, jak pokazano w poniższych instrukcjach. Chociaż nie jest to wymagane dla interfejsu GUI, w razie potrzeby samodzielną wersję programu NanospringCarver można utworzyć, wpisując "make" w wierszu poleceń. Spowoduje to skompilowanie nanosprings.cpp i Point.cpp elementów programu w celu utworzenia pliku wykonywalnego "carve". W tym samouczku plik "glasscube.inp" zawiera informacje o położeniu 192 000 atomów krzemu i tlenu reprezentujących model szkła krzemionkowego, przy czym każdy wiersz zawiera identyfikator atomu, typ atomu i współrzędne x, y, z dla atomu. Pierwszy wiersz pliku to całkowita liczba atomów (192 000). Współrzędne atomowe w tym pliku są wartościami względnymi, które pomnożone przez 0,716 oznaczałyby odległości nanometrowe.
  3. Na pulpicie otwórz okno terminala. W wielu wersjach LINUKSA osiąga się to poprzez jednoczesne naciskanie "Ctrl", "Alt" i "T".
  4. Zmień katalog na folder, do którego zostały wyodrębnione pliki projektu nanosprings, wpisując:
    cd Dokumenty/Nanosprężyny/
  5. Następnie uruchom polecenie, aby skompilować plik binarny dla systemu, wpisując:
    Mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. Następnie zainicjuj MATLAB, wpisując matlab w wierszu poleceń

2. Modyfikacja i korzystanie z graficznego interfejsu użytkownika (GUI) w programie NanospringCarver

Postępuj zgodnie z poniższymi krokami, korzystając z plików dostępnych online26.

  1. Otwórz PRZEWODNIK w programie MATLAB, klikając ikonę PRZEWODNIK w lewym górnym rogu paska narzędzi (Rysunek 2), aby wyświetlić nowe okno z przewodnikiem Szybki start programu GUIDE (Rysunek 3).

figure-protocol-1
Rysunek 2: Interfejs użytkownika programu MATLAB pokazujący, jak otworzyć program MATLAB GUIDE.

figure-protocol-2
Rysunek 3: Inicjalizacja interfejsu MATLAB GUIDE.

  1. Użyj zakładki "Otwórz istniejący graficzny interfejs użytkownika" (Rysunek 4), aby zmodyfikować istniejącą figurę. Kliknij przycisk "Przeglądaj", aby wyszukać istniejącą figurę GUI, która ma zostać zmodyfikowana. Po wybraniu pliku rysunku (Nanosprings.fig, patrz niebieska ramka), kliknij "Otwórz" w obu oknach, aby wyświetlić nowe okno z rysunkiem GUI. Znajdź dostępne przyciski, które można wykorzystać do tworzenia graficznego interfejsu użytkownika na lewym panelu (Rysunek 5).

figure-protocol-3
Rysunek 4: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący, jak otworzyć istniejący plik figurki GUI.

figure-protocol-4
Rysunek 5: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący narzędzia do modyfikacji istniejącego rysunku GUI.

  1. Aby uruchomić GUI, kliknij "Uruchom" w menu "Narzędzia". Następnie kliknij "Tak", gdy pojawi się wyskakujące okienko z pytaniem, czy zapisać figurę przed uruchomieniem. W nowym oknie zostanie wyświetlony zmodyfikowany graficzny interfejs użytkownika.
  2. W razie potrzeby utwórz kolejny graficzny interfejs użytkownika dla innego konkretnego materiału, używając tego graficznego interfejsu użytkownika jako przykładu.
  3. Aby skonfigurować przykładowy przebieg, najpierw kliknij przycisk "Wybierz plik modelu wejściowego" w górnej części graficznego interfejsu użytkownika i przejdź do pliku "glasscube.inp". Wybierz ten plik i kliknij "Otwórz", aby zamknąć okno przeglądania. Wybrany plik wejściowy i ścieżka do niego powinny teraz pojawić się w oknie graficznego interfejsu użytkownika po prawej stronie przycisku "Wybrany plik modelu wejściowego" (Rysunek 6).

figure-protocol-5
Rysunek 6: Zrzut ekranu przedstawiający użycie graficznego interfejsu użytkownika do stworzenia przykładowego modelu nanosprężyny krzemionkowej.

  1. Następnie użyj przycisku "Przeglądaj" w sekcji "Model wyjściowy", aby wyszukać i wybrać katalog, w którym chcesz zapisać model wyjściowy. Upewnij się, że katalog wyjściowy jest aktywnie wybrany, aby uruchomić uruchomienie, nawet jeśli katalog wyjściowy jest już wymieniony w towarzyszącym oknie po prawej stronie tego przycisku.
    Uwaga: Podana wartość "Minimalna odległość parametrów zaawansowanych" (0,209311 na rysunku 6) została obliczona specjalnie dla pliku wejściowego "glasscube.inp" dostarczonego w tym przykładzie i powinna pozostać bez zmian. Wartość tę można obliczyć w razie potrzeby przy pierwszym użyciu innego pliku wejściowego, wprowadzając wartość "0" w tym miejscu przed uruchomieniem modelu. W tym przykładzie wszystkie wartości parametrów są podane w jednostkach względnych, aby były zgodne z wejściowym nieatomowym układem współrzędnych. Jeśli pomnożymy przez 0,716, wartości parametrów będą reprezentować odległości nanometrowe.
  2. Uruchom przykład, używając podanych parametrów sprężyny r = 1.0, R = 5.0, p = 1.5 i d = .209311, naciskając przycisk "Uruchom" w graficznym interfejsie użytkownika. Wyświetl opinie z przebiegu w oknie poleceń programu MATLAB (Rysunek 7) . W informacji zwrotnej sprawdź, czy parametry sprężyny zostały potwierdzone, czy plik danych wejściowych został pomyślnie odczytany oraz czy wyniki przechowywane w pliku wyjściowym o nazwie "model" są opisane.

figure-protocol-6
Rysunek 7: Informacje zwrotne w oknie poleceń MATLAB z uruchomienia Nanosprings opartych na graficznym interfejsie użytkownika.

Uwaga: W powyższym przykładzie plik "model" zawiera 5 176 atomów składających się na pożądaną sprężynę, po jednym na linię, przy czym pierwszy wiersz oznacza całkowitą liczbę atomów w pliku. Każda linia definiująca atom zawiera identyfikator atomu, typ atomu oraz współrzędne x, y, z tego atomu.

  1. Po sfinalizowaniu interfejsu GUI wykonaj kolejne uruchomienia, klikając prawym przyciskiem myszy "Nanosprings.m" w oknie "Bieżący folder" MATLAB i wybierając "Uruchom", aby bezpośrednio wyświetlić interfejs GUI.
    Uwaga: Różne odniesienia są wymienione27-31 w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat MATLAB GUIDE i podstawowego interfejsu GUIDE.

3. Weryfikacja wyników NanospringCarver w wizualizatorze o otwartym kodzie źródłowym19

Poniższe kroki są przeznaczone dla zwykłego użytkownika, aby umożliwić wizualizację i weryfikację modeli sprężyn wyjściowych stworzonych przez NanospringCarver.

  1. Użyj graficznego interfejsu użytkownika NanospringCarver MATLAB, jak opisano powyżej, aby wygenerować pliki do wprowadzenia do programu do wizualizacji19. Podczas uruchamiania programu do wizualizacji należy skorzystać z opcji wejściowej "plik współrzędnych punktu", rozróżnić typy atomów według koloru i wybrać obramowanie siatki osi dla pola.
  2. Mierz odległości w modelach sprężynowych i zapisuj je.
  3. Porównaj zmierzone dane z żądanymi wymiarami sprężyny i zweryfikuj dokładność modelu sprężyny.

4. Korzystanie z NanospringCarver powoduje symulacje wytrzymałości na rozciąganie nanosprężyn MD

Poniższe kroki są podsumowane dla zwykłego użytkownika, który może korzystać z modeli sprężyn stworzonych przez NanospringCarver jako danych wejściowych do konwencjonalnego kodu MD32 o otwartym kodzie źródłowym.

  1. Pobierz najnowszą wersję programu MD LAMMPS o otwartym kodzie źródłowym. Zapoznaj się z powiązaną dokumentacją online, aby uzyskać instrukcje i przykłady.
  2. Określ wymiary pożądanego modelu nanosprężyny w celu przygotowania odpowiedniego początkowego modelu szkła krzemionkowego luzem, jak podano przed18.
  3. Utwórz żądany model nanosprężyny za pomocą graficznego interfejsu użytkownika NanospringCarver MATLAB (patrz sekcja 2 powyżej).
  4. Wykonaj symulacje rozciągania na żądanej nanosprężynie, rozciągając model osiowo 11,13,23. Stwórz reprezentatywny film przedstawiający rozciąganie modelu nanosprężyny (patrz rysunek 8 poniżej i animowany rysunek 1) w celu wizualizacji i analizy. Wyniki naukowe dotyczące zachowania naprężenie-odkształcenie i sztywność kilku modeli nanosprężyn pod wpływem naprężenia zostały przedstawione w innym miejscu23.

figure-protocol-7
Ilustracja 8: Zrzut ekranu przedstawiający nanosprężynę krzemionkową podczas symulacji rozciągania (patrz również animowany rysunek 1).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Atomistyczne modele nanowstążek stworzone za pomocą pierwszej procedury obliczeniowej (kod nanowstążek) i ich związane z nimi wymiary są pokazane na rysunku 9. Powstałe modele nanosprężyn wykorzystujące drugą procedurę obliczeniową (kod nanosprężyn) i związane z nimi wymiary przedstawiono na rysunku 10.

figure-results-1
R...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Modyfikacja pierwotnego podejścia do tworzenia struktur nanohelistycznych doprowadziła do opracowania dwóch odrębnych kodów, które umożliwiły tworzenie zarówno nanowstążek, jak i nanosprężyn z początkowego modelu MD ze szkła krzemionkowego. Weryfikację modeli nanowstążek krzemionkowych i nanosprężyn przeprowadzono przy użyciu różnych pakietów oprogramowania19-20, które potwierdziły ich dokładność wymiarową w ramach możliwości pomiarowych programów. Porównano również nanosprężyny i nanowstążki Wykonane poprzez ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy pragną podziękować Timowi Allisowi z UC Merced za pomoc w tym projekcie. Program NSF-COINS na UCM wspierał (KAM) we wczesnej fazie tej pracy. Nagroda NSF-BRIGE wspierała współautorów (BND i KAM), zapewniając fundusze na tę pracę i koszty podróży na konferencje.

Grupa badawcza pragnie przede wszystkim podziękować Narodowej Fundacji Nauki za sfinansowanie tej pracy poprzez nagrodę BRIGE. Ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez National Science Foundation w ramach grantu nr 1032653.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Oprogramowanie do obliczeń numerycznych MATLABMathworkshttp://www.mathworks.com/products/matlab/description1.htmlZobacz Wprowadzenie i odniesienie do protokołu [24]
Kod i pliki programu NanospringCarverUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Sekcja 1 protokołu (Krok 1.2) i Odniesienie [26]
Pliki MATLAB GUIUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Sekcja protokołu 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26]
Plik wejściowy szkła atomistycznegoUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Protokół Sekcja 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26]
Oprogramowanie do wizualizacji IFrITOprogramowanie Open sourcehttp://sites.google.com/site/ifrithome/Patrz Rozdział 3 protokołu i Odniesienie [19]
Oprogramowanie do dynamiki molekularnej LAMMPSOprogramowanieopen sourcehttp://lammps.sandia.gov/Patrz Protokół Sekcja 4 i Odniesienie [32]

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gao, P. X., et al. Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices. Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).
  2. McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G. Nanosprings. Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).
  3. He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
  4. Cammarata, R. C., Sieradzki, K. Surface and interface stresses. Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).
  5. Becker, N., et al. Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Dobrokhotov, V., et al. ZnO coated nanospring-based chemiresistors. J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).
  9. Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy. , 19(2010).
  10. 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).
  11. Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D. Mechanical properties of nanosprings. Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).
  12. Zhang, G., Zhao, Y. Mechanical characteristics of nanoscale springs. J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).
  13. Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. Mechanical properties of amorphous nanosprings. Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).
  14. 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).
  15. Chang, I. L., Yeh, M. -S. An atomistic study of nanosprings. J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).
  16. Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
  17. Chen, X., et al. Mechanics of a carbon nanocoil. Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Accelrys Inc. Materials Studio Overview [Internet]. , U.S.A. Accelrys. Available from: http://accelrys.com/products/materials-studio (2013).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. MathWorks. MATLAB Overview [Internet]. , Mathworks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html (2013).
  25. Linux homepage [Internet]. , Linux. U.S.A.. Available from: http://www.linux.org (2013).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2013).
  30. 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).
  31. 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).
  32. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code [Internet]. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Sprostowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Formal Correction: Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

A correction was made to Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. Online article is missing its 29th author reference.

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).

Tagi

Modelowanie nanohelissymulacje dynamiki molekularnejnanowst ki krzemionkowegenerowanie nanospiraliprogramowanie w AWKkod CGUI MATLABmodele atomistycznestruktury helikalnekod open source

Powiązane artykuły