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.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Skalowalne nanohelisy do badań predykcyjnych i ulepszonej wizualizacji 3D
W tym artykule
Informacja o sprostowaniu
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Podsumowanie
Streszczenie
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
Helikalne nanostruktury są zazwyczaj wytwarzane w laboratorium przy użyciu technik chemicznego osadzania z fazy gazowej1-2, choć w literaturze opisano również nowe podejścia3. W szczególności badano nanospressory i nanowstążki ze względu na ich odrębne właściwości oraz obiecujące zastosowania w czujnikach, optyce, a także w urządzeniach elektromechanicznych i fluidycznych4-7. Opisano metody syntezy pozwalające na otrzymanie nanowstążek krzemionkowych (SiO2), co czyni te struktury potencjalnymi jednostkami budulcowymi dla systemów hierarchicznych. Nowatorska synteza trójwymiarowych nanospressorów krzemionkowych rozszerzyła zakres ich zastosowań na chemirezystory po pokryciu ich ZnO8 lub nanocząstkami w zastosowaniach diagnostycznych9-10.
Badania eksperymentalne nad właściwościami mechanicznymi krzemionkowych nanosprężyn i nanowstążek są rzadkie, co wynika przede wszystkim z obecnych ograniczeń w metodach i sprzęcie manipulacyjnych oraz pomiarowych. Badania nad nanomechaniką nanostruktur i nanosprężyn były raportowane z wykorzystaniem teorii i symulacji11-14. Niektóre symulacje13 koncentrowały się na nanomechanicznym zachowaniu amorficznych nanosprężyn, ponieważ pozwalają one badać zakresy nie w pełni dostępne drogą eksperymentalną. W literaturze opisano atomistyczne badania metalicznych nanosprężyn w celu zbadania zależności właściwości sprężystych od rozmiaru15, a w ostatnim czasie nanomechanikę helikalnych krystalicznych nanostruktur krzemionkowych14. Testy eksperymentalne struktur nanosprężyn przeprowadzano również na różnych materiałach, takich jak helikalne nanostruktury węglowe i węglowe nanocewki16-17. Pomimo zebranej do tej pory wiedzy, do przyszłych prac nad wytwarzaniem nanourządzeń niezbędne jest pełniejsze zrozumienie właściwości mechanicznych tych nowatorskich nanostruktur.
Ponieważ badania MD nanohelis z krzemionki amorficznej (krzemionki niekrystalicznej) są wciąż dość ograniczone, modelowanie atomistyczne takich struktur wymaga stworzenia spersonalizowanych kodów. W wyniku ostatnich przeglądów literatury nie zidentyfikowano żadnych innych alternatywnych metod tworzenia helikalnych modeli MD krzemionki amorficznej. W niniejszej pracy, w celu przyszłych wielkoskalowych nanomechanicznych symulacji MD, zastosowano podejście oddolne do modelowania atomistycznego helikalnych nanostruktur z krzemionki amorficznej, w tym nanosprężyn i nanowstęg. Ogólne podejście obejmuje stworzenie „masowego” modelu MD krzemionki amorficznej, zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami18, a następnie wycinanie z tej „masowej” próbki różnych nanostruktur helikalnych za pomocą dwóch opracowanych do tego celu niezawodnych i adaptowalnych kodów komputerowych. Obie procedury obliczeniowe oferują odmienne sposoby tworzenia modeli nanowstęg i nanosprężyn z dużą wydajnością i szczegółowością atomistyczną; struktury te nadają się do wielkoskalowych symulacji atomistycznych. Dodatkowo wykorzystano spersonalizowany graficzny interfejs użytkownika, aby ułatwić tworzenie i wizualizację struktur helikalnych.
Struktura modelu „masywnego” szkła krzemionkowego jest początkowo tworzona w temperaturze pokojowej. W tym celu przeprowadzono wielkoskalowe symulacje MD, wykorzystując potencjał międzyatomowy Garofalinius zgodnie z wcześniejszymi badaniami18, który jest stosunkowo wydajny obliczeniowo i odpowiedni dla dużych układów. Początkowa struktura „masywnego” szkła krzemionkowego składa się z modelu sześcianu (14,3 x 14,3 x 14,3 nm3) zawierającego 192 000 atomów. Model „masywnego” szkła krzemionkowego poddano ekwilibracji w temperaturze 300 K przez 0,5 nsec w celu uzyskania stanu początkowego, stosując periodyczne warunki brzegowe.
Zaprojektowano i wykorzystano dwie procedury obliczeniowe w celu stworzenia atomistycznych modeli nanowstęg i nanospirali krzemionkowych. Pierwsza metoda polega na wycinaniu nanowstęg krzemionkowych ze struktury „masowej” (bulk) przy użyciu równań parametrycznych definiujących helisę oraz jej geometrię (skok, promień helisy i promień drutu). Procedura ta obejmuje wykorzystanie języka programowania AWK, systemu operacyjnego LINUX oraz oprogramowania do wizualizacji typu open-source19. Ogólna iteracyjna procedura tworzenia atomistycznych modeli nanowstęg obejmuje: (1) wybór atomu w masowym modelu szkła krzemionkowego, (2) obliczenie odległości od wybranego atomu do punktu w przestrzeni na zdefiniowanej funkcji helikalnej, (3) porównanie tej odległości z promieniem pożądanej nanowstęgi oraz (4) odrzucenie lub zachowanie atomu w wyjściowym modelu danych. Szczegółowy opis krok po kroku dla tej metody znajduje się w materiale dodatkowym Scalable Open-Source Codes Supplemental Material. Przy użyciu tej metody stworzono kilka nanowstęg krzemionkowych o różnych wartościach skoku, promienia helisy i promienia nanowstęgi, a następnie zmierzono ich dokładność w odniesieniu do pożądanych wartości wymiarowych za pomocą oprogramowania do analizy molekularnej i wizualizacji19-20. Wygenerowano atomistyczne modele nanowstęg krzemionkowych o geometriach funkcjonalnych (wysokie wartości skoku i niskie wartości promienia nanowstęgi). Przy nadzwyczaj wysokich wartościach promienia nanowstęgi i ekstremalnie niskich wartościach skoku zaobserwowano pewne artefakty, polegające na błędnym wykluczeniu atomów, co prowadziło do mniejszej gładkości powierzchni nanowstęgi. Podobne metody stosowano w procesie tworzenia nanodrutów krzemionkowych21-23.
Druga zaprezentowana tutaj metoda polega na wycinaniu krzemionkowych nanosprężyn ze struktury krzemionki „masowej” poprzez zastosowanie metod wstępnego przesiewania w celu zwiększenia wydajności, oprócz zastosowania równań matematycznych dla helisy. Procedura ta wymagała stworzenia bardziej odpornego kodu w języku C++, aby zapewnić większą elastyczność w modelowaniu tych helikalnych nanostruktur. Iteracyjna metoda tworzenia modeli atomistycznych nanosprężyn obejmuje: (1) odrzucenie wszystkich atomów, które z pewnością znajdują się poza ścieżką helikalną, (2) deterministyczny wybór punktu na ścieżce helikalnej, (3) porównanie wszystkich atomów w określonej odległości od tego wybranego punktu oraz (4) odrzucenie lub zapisanie każdego atomu w modelu danych wyjściowych. Szczegółowy opis krok po kroku dla tej metody zawarto również w materiałach uzupełniających Scalable Open-Source Codes. Dzięki tej metodzie uzyskano kilka modeli krzemionkowych nanosprężyn o różnych wymiarach (promień drutu, promień helisy i skok nanosprężyny), jak pokazano na Rysunku 1. Metoda ta pozwoliła na wydajne uzyskanie wysoce precyzyjnych modeli krzemionkowych nanosprężyn, przy czym nie stwierdzono obecności artefaktów dla skrajnych (niskich i wysokich) wartości skoku nanosprężyny. Tworzenie i użytkowanie graficznego interfejsu użytkownika dla tej metody opisano w sekcji Protokół.
Rycina 1: Ogólna struktura helikalna z zaznaczonymi charakterystycznymi wymiarami, gdzie r, R i p reprezentują odpowiednio promień drutu, promień helisy oraz skok. H oznacza całkowitą wysokość struktury helikalnej23.
Niniejszy protokół opisuje sposób przygotowania plików NanospringCarver poprzez uruchomienie oprogramowania MATLAB24 na komputerze PC z systemem LINUX25 oraz wykorzystanie graficznego interfejsu użytkownika do opracowania atomistycznych modeli nanospringów. Te wcześniej niedostępne modele stanowią podstawę dla nowatorskich symulacji dynamiki molekularnej (MD)23 w badaniach nad innowacjami materiałowymi.
Ogólna procedura krok po kroku tworzenia atomistycznych modeli nanosprężyn obejmuje wykorzystanie następujących elementów: (a) kodu NanospringCarver (v. 0.5 beta) (otwarte oprogramowanie w języku C++), (b) modelu litego szkła krzemionkowego (plik wejściowy), (c) interfejsu graficznego MATLAB GUI i powiązanych plików oraz (d) oprogramowania MATLAB (wersja 7) z lokalną licencją na komputerze z systemem LINUX. Elementy (a)-(c) wymienione powyżej (kod NanospringCarver, model szkła krzemionkowego, pliki MATLAB GUI) są dostępne do bezpłatnego pobrania online26. MATLAB (Matrix Laboratory) to język wysokiego poziomu do obliczeń numerycznych, wizualizacji i tworzenia aplikacji opracowany przez MathWorks24, stosowany głównie do wizualizacji i analizy danych, przetwarzania obrazów oraz biologii obliczeniowej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie plików NanospringCarver i uruchomienie programu MATLAB na komputerze z systemem LINUX
Poniższe kroki zostały opracowane w celu umożliwienia użytkownikowi korzystania z plików udostępnionych online26.
- Rozpakuj archiwum plików nanosprings.tar.gz do katalogu „Home” lub innego wybranego katalogu.
- Pobierz archiwum plików nanosprings.tar.gz z repozytorium internetowego26.
- Zlokalizuj pobrane archiwum i przenieś je do wybranego katalogu roboczego o nazwie „Documents/Nanosprings”.
- Kliknij prawym przyciskiem myszy plik nanosprings.tar.gz i wybierz opcję „wypakuj tutaj” z menu kontekstowego.
- Upewnij się, że w bieżącym katalogu znajdują się wszystkie wymagane pliki. Poniżej znajduje się lista tych plików wraz z ich przeznaczeniem:
Makefile – plik kompilacji zarządzany ręcznie dla nanosprings.cpp i Point.cpp
Nanosprings.fig – wewnętrzne pliki GUI MATLAB
Nanosprings.m – kod GUI MATLAB
Point.cpp – definicja klasy Point (atomu)
Point.h – nagłówek klasy Point (atomu)
carve – samodzielny plik wykonywalny nanosprings
example.par – przykładowy plik parametrów
glasscube.inp – plik danych glasscube
nanosprings.cpp – główny kod nanosprings
nanosprings_diagram.jpg – przykładowy nanospring do wyświetlenia
nanospringsmex.cpp – nanosprings.cpp zintegrowany z MATLAB
nanospringsmex.mexglx – zintegrowany z MATLAB plik wykonywalny nanosprings
Uwaga: Użytkownik będzie musiał utworzyć plik wykonywalny „nanospringsmex.mexglx” dla konkretnej maszyny z systemem Linux (w tym przykładzie wersja 32-bitowa). Jeśli nie zostało to jeszcze zrobione, sprawdź dostęp do kompilatora „mex” w MATLAB, wpisując w wierszu poleceń „which mex” i weryfikując istnienie programu. Sprawdź również dostęp do programu MATLAB, wpisując w wierszu poleceń „which matlab”. Wpisanie w wierszu poleceń „mex nanospringsmex.cpp Point.cpp” utworzy zintegrowany z MATLAB plik wykonywalny NanospringCarver „nanospringsmex.mexglx”, zgodnie z poniższymi instrukcjami. Chociaż nie jest to wymagane dla interfejsu GUI, w razie potrzeby można utworzyć samodzielną wersję programu NanospringCarver, wpisując w wierszu poleceń „make”. Spowoduje to wspólne skompilowanie elementów programu nanosprings.cpp i Point.cpp w celu utworzenia pliku wykonywalnego „carve”. W niniejszym samouczku plik „glasscube.inp” zawiera informacje o położeniu 192 000 atomów krzemu i tlenu reprezentujących model szkła krzemianowego, gdzie każda linia zawiera identyfikator atomu, typ atomu oraz współrzędne x, y, z atomu. Pierwsza linia pliku to całkowita liczba atomów (192 000). Współrzędne atomowe w tym pliku są wartościami względnymi, które po pomnożeniu przez 0,716 reprezentowałyby odległości w nanometrach. - Na pulpicie otwórz okno terminala. W wielu wersjach LINUX można to zrobić, naciskając jednocześnie klawisze „Ctrl”, „Alt” i „T”.
- Zmień katalog na folder, do którego wypakowano pliki projektu nanosprings, wpisując:
cd Documents/Nanosprings/ - Następnie uruchom polecenie kompilacji pliku binarnego dla systemu, wpisując:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Następnie uruchom program MATLAB, wpisując matlab w wierszu poleceń
2. Modyfikacja i użytkowanie graficznego interfejsu użytkownika (GUI) programu NanospringCarver
Postępuj zgodnie z poniższymi krokami, korzystając z plików udostępnionych online26.
- Otwórz GUIDE w programie MATLAB, klikając ikonę GUIDE na górnym lewym pasku narzędzi (Rysunek 2), aby wyświetlić nowe okno z szybkim startem GUIDE (Rysunek 3).
Rycina 2: Interfejs użytkownika MATLAB pokazujący sposób otwierania MATLAB GUIDE.
Rycina 3: Inicjalizacja interfejsu MATLAB GUIDE.
- Użyj karty „Open Existing GUI” (Rysunek 4), aby zmodyfikować istniejący rysunek. Kliknij przycisk „Browse”, aby wyszukać istniejący rysunek GUI do modyfikacji. Po wybraniu pliku rysunku (Nanosprings.fig, zob. niebieska ramka), kliknij „Open” w obu oknach, aby wyświetlić nowe okno z rysunkiem GUI. Zlokalizuj przyciski dostępne do tworzenia GUI w panelu lewym (Rysunek 5).
Rysunek 4: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący sposób otwierania istniejącego pliku figury GUI.
Rycina 5: Interfejs MATLAB GUIDE pokazujący narzędzia do modyfikacji istniejącego okna GUI.
- Aby uruchomić interfejs graficzny (GUI), kliknij „Run” w menu „Tools”. Następnie, gdy pojawi się okno wyskakujące z pytaniem o zapisanie rysunku przed uruchomieniem, kliknij „Yes”. W nowym oknie wyświetli się zmodyfikowany interfejs GUI.
- W razie potrzeby utwórz inny interfejs GUI dla innego konkretnego materiału, wykorzystując ten interfejs jako przykład.
- Aby skonfigurować przykładowe uruchomienie, najpierw kliknij przycisk „Select input model file” u góry interfejsu GUI i przejdź do pliku „glasscube.inp”. Wybierz ten plik i kliknij „Open”, aby zamknąć okno przeglądania. Wybrany plik wejściowy oraz ścieżka do niego powinny teraz pojawić się w oknie GUI po prawej stronie przycisku „Selected input model file” (Rysunek 6).
Rycina 6: Zrzut ekranu z wykorzystania interfejsu graficznego (GUI) do stworzenia przykładowego modelu krzemionkowej nanosprężyny.
- Następnie użyj przycisku „Browse” w sekcji „Output Model”, aby wyszukać i wybrać katalog, w którym zostanie zapisany model wyjściowy. Upewnij się, że katalog wyjściowy został aktywnie wybrany, aby umożliwić uruchomienie procesu, nawet jeśli w oknie po prawej stronie przycisku jest już wymieniony katalog wyjściowy.
Uwaga: Wartość „Advance Parameters Minimum Distance” (0.209311 na Rysunku 6) została obliczona specjalnie dla pliku wejściowego „glasscube.inp” dostarczonego w tym przykładzie i powinna pozostać bez zmian. Wartość ta może zostać obliczona w razie potrzeby przy pierwszym użyciu innego pliku wejściowego poprzez wprowadzenie wartości „0” w tym polu przed uruchomieniem modelu. W tym przykładzie wszystkie wartości parametrów podano w jednostkach względnych, aby dopasować je do wejściowego układu współrzędnych atomowych. Po pomnożeniu przez 0.716 wartości parametrów reprezentowałyby odległości w nanometrach. - Uruchom przykład, korzystając z podanych parametrów sprężyn r = 1.0, R = 5.0, p = 1.5 oraz d = .209311, naciskając przycisk „Run” w interfejsie GUI. Śledź informacje zwrotne z przebiegu procesu w oknie poleceń programu MATLAB (Rysunek 7). W komunikatach zwrotnych sprawdź, czy parametry sprężyn zostały potwierdzone, czy plik danych wejściowych został pomyślnie odczytany oraz czy opisano wyniki zapisane w pliku wyjściowym o nazwie „model”.
Rycina 7: Informacje zwrotne w oknie poleceń MATLAB z uruchomienia programu Nanosprings w oparciu o interfejs graficzny (GUI).
Uwaga: W powyższym przykładzie plik „model” zawiera 5 176 atomów tworzących pożądaną sprężynę, po jednym w każdej linii, przy czym pierwsza linia określa całkowitą liczbę atomów w pliku. Każda linia definiująca atom zawiera identyfikator atomu, typ atomu oraz współrzędne x, y, z tego atomu.
- Po sfinalizowaniu interfejsu GUI należy przeprowadzić kolejne uruchomienia, klikając prawym przyciskiem myszy na plik „Nanosprings.m” w oknie „Current Folder” programu MATLAB i wybierając opcję „Run”, aby bezpośrednio wywołać interfejs GUI.
Uwaga: W celu uzyskania dodatkowych informacji na temat MATLAB GUIDE oraz podstawowego interfejsu GUIDE zamieszczono różne referencje27-31.
3. Weryfikacja wyników NanospringCarver w wizualizatorze open-source19
Poniższe kroki zostały opracowane, aby umożliwić przeciętnemu użytkownikowi wizualizację i weryfikację modeli sprężyn wyjściowych stworzonych przez program NanospringCarver.
- Użyj interfejsu graficznego NanospringCarver w programie MATLAB zgodnie z powyższym opisem, aby wygenerować pliki wejściowe dla programu do wizualizacji19. Podczas uruchamiania programu do wizualizacji wybierz opcję wejścia „point coordinate file”, rozróżnij typy atomów za pomocą kolorów i zaznacz obramowanie siatki osi dla pola.
- Zmierz odległości w modelach sprężyn i dokonaj ich zapisu.
- Porównaj zmierzone dane z pożądanymi wymiarami sprężyn i zweryfikuj dokładność modelu sprężyny.
4. Wykorzystanie wyników z programu NanospringCarver w symulacjach rozciągania nanospringów metodą MD
Poniższe kroki zostały podsumowane dla ogólnego użytkownika w celu wykorzystania modeli sprężyn stworzonych przez program NanospringCarver jako danych wejściowych do konwencjonalnego otwartoźródłowego kodu MD32.
- Pobierz najnowszą wersję programu MD o otwartym kodzie źródłowym LAMMPS. W celu uzyskania podręczników i przykładów zapoznaj się z powiązaną dokumentacją online.
- Określ wymiary pożądanego modelu nanosprężyny, aby przygotować odpowiedni początkowy model objętościowy szkła krzemionkowego, zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami18.
- Utwórz pożądany model nanosprężyny za pomocą interfejsu graficznego NanospringCarver MATLAB GUI (patrz w Rozdziale 2 powyżej).
- Przeprowadź symulacje rozciągania pożądanej nanosprężyny poprzez rozciąganie modelu wzdłuż osi 11,13,23. Wygeneruj reprezentatywny film przedstawiający rozciąganie modelu nanosprężyny (patrz Rycina 8 poniżej oraz Animowana Rycina 1) w celu wizualizacji i analizy. Wyniki naukowe dotyczące zależności naprężenie-odkształcenie i sztywności kilku modeli nanosprężyn poddanych rozciąganiu zostały opisane w innym opracowaniu23.
Rysunek 8: Zrzut ekranu nanosprężyny krzemionkowej podczas symulacji rozciągania (patrz również Animowany Rysunek 1).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Atomistyczne modele nanowstążek stworzone za pomocą pierwszej procedury obliczeniowej (kod nanoribbons) oraz ich powiązane wymiary przedstawiono na Rysunku 9. Wynikowe modele nanosprężyn opracowane przy użyciu drugiej procedury obliczeniowej (kod nanosprings) wraz z powiązanymi wymiarami przedstawiono na Rysunku 10.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
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
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
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
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Oprogramowanie do obliczeń numerycznych MATLAB | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html | Zobacz Wprowadzenie i odniesienie do protokołu [24] |
| Kod i pliki programu NanospringCarver | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | Patrz Sekcja 1 protokołu (Krok 1.2) i Odniesienie [26] |
| Pliki MATLAB GUI | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | Patrz Sekcja protokołu 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26] |
| Plik wejściowy szkła atomistycznego | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | Patrz Protokół Sekcja 1 (Krok 1.2) i Odniesienie [26] |
| Oprogramowanie do wizualizacji IFrIT | Oprogramowanie Open source | http://sites.google.com/site/ifrithome/ | Patrz Rozdział 3 protokołu i Odniesienie [19] |
| Oprogramowanie do dynamiki molekularnej LAMMPS | Oprogramowanie | open sourcehttp://lammps.sandia.gov/ | Patrz Protokół Sekcja 4 i Odniesienie [32] |
Bibliografia
- 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. Nanosprings. Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).
- He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
- Cammarata, R. C., Sieradzki, K. Surface and interface stresses. Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).
- 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. ZnO coated nanospring-based chemiresistors. J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).
- 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. Mechanical properties of nanosprings. Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).
- Zhang, G., Zhao, Y. Mechanical characteristics of nanoscale springs. J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).
- Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. Mechanical properties of amorphous nanosprings. Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).
- 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. An atomistic study of nanosprings. J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).
- Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
- Chen, X., et al. Mechanics of a carbon nanocoil. Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Sprostowanie
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).
