Summary
Præcis modellering af nanohelical strukturer er vigtig for forudsigende simulation undersøgelser, der fører til nye nanoteknologiske applikationer. I øjeblikket er softwarepakker og koder begrænset i at skabe atomistiske spiralformede modeller. Vi præsenterer to procedurer designet til at skabe atomistiske nanohelical modeller til simuleringer, og en grafisk brugerflade til at styrke forskning gennem visualisering.
Abstract
Spring-lignende materialer er allestedsnærværende i naturen og interesse for nanoteknologi til energi høst, brint opbevaring og biologiske sensing applikationer. For prædiktive simuleringer, er det blevet stadig vigtigere at være i stand til at modellere strukturen af nanohelices præcist. For at undersøge effekten af lokal struktur på egenskaberne af disse komplekse geometrier man skal udvikle realistiske modeller. Til dato er softwarepakker temmelig begrænset i at skabe atomistiske spiralformede modeller. Dette arbejde fokuserer på at producere atomistiske modeller af silica glas (SiO2) nanoribbons og nanosprings for molekylær dynamik (MD) simuleringer. Brug af en MD-model af "bulk" silica glas, to beregningsmæssige procedurer for netop at skabe formen af nanoribbons og nanosprings præsenteres. Den første metode anvender AWK programmeringssprog og open source-software til effektivt at skære forskellige former af silica nanoribbons fra Initial bulk-model, ved hjælp af de ønskede dimensioner og parametriske ligninger til at definere en helix. Med denne fremgangsmåde kan præcise atomare silica nanoribbons blive genereret for en række tonehøjdeværdier og dimensioner. Den anden metode indebærer en mere robust kode, som giver mulighed for fleksibilitet i modellering nanohelical strukturer. Denne fremgangsmåde anvender en C ++ kode især skrevet til at gennemføre pre-screeningsmetoder samt de matematiske ligninger for en helix, hvilket resulterer i større præcision og effektivitet, når der oprettes nanospring modeller. Ved hjælp af disse koder, veldefinerede og skalerbare nanoribbons og nanosprings velegnet til atomare simuleringer effektivt kan oprettes. En merværdi i både open source-koder er, at de kan tilpasses til at gengive forskellige spiralformede strukturer, der er uafhængige af materiale. Desuden er en MATLAB grafisk brugergrænseflade (GUI), der anvendes til at forbedre læring gennem visualisering og interaktion for en almindelig bruger med atomistisk Helical strukturer. En anvendelse af disse metoder er den seneste undersøgelse af nanohelices via MD simuleringer mekaniske energi høst formål.
Introduction
Spiralformede nanostrukturer fremstilles typisk i laboratoriet under anvendelse af kemisk dampaflejringsteknikker 1-2, mens nye fremgangsmåder er blevet rapporteret i litteraturen 3. Især nanosprings og nanoribbons er blevet undersøgt på grund af deres forskellige egenskaber og lovende anvendelse i sensorer, optik og elektromekaniske og fluide enheder 4-7. Er blevet rapporteret syntesemetoder til fremstilling af silica (SiO2) nanoribbons, hvilket gør disse strukturer potentielle bygning blokenheder hierarkiske systemer. Novel syntese af 3D silica nanosprings har udvidet deres ansøgninger til chemiresistors når de er belagt med ZnO 8 eller nanopartikler til diagnostiske applikationer 9-10.
Eksperimentelle undersøgelser af de mekaniske egenskaber af silica nanosprings og nanoribbons er knappe, primært på grund af de nuværende begrænsninger i manipulering og testmetoder og udstyr;nt. Undersøgelser af nanomekanik af nanostrukturer og nanosprings er blevet rapporteret ved brug teori og simuleringer 11-14. Nogle simulationer 13 har fokuseret på nanomekaniske opførsel af amorfe nanosprings fordi de kan udforske regimer ikke fuldt tilgængelige gennem eksperimenter. Atomistisk undersøgelser af metalliske nanosprings er blevet rapporteret i litteraturen til at undersøge størrelsen afhængighed af elastiske egenskaber 15, og mere for nylig nanomekanik af spiralformede krystallinske silikater nanostrukturer 14. Eksperimentel afprøvning af nanospring strukturer er også blevet udført i forskellige materialer såsom spiralformede carbon nanostrukturer og carbon nanocoils 16-17. På trods af den indsamlede viden hidtil er der behov for en mere fuldstændig forståelse af de mekaniske egenskaber af disse nye nanostrukturer til fremtidige nanodevice fabrikation indsats.
Som MD undersøgelser af silica glass (ikke-krystallinsk silica) nanohelices stadig ret begrænset, den atomistiske modellering af sådanne strukturer kræver oprettelse af tilpassede koder. Der er ikke identificeret andre alternative metoder til at skabe silica glas spiralformede MD modeller hidtil på nyere litteratur søgning. I dette arbejde er en bottom-up tilgang til atomistiske modellering af spiralformede silica glas nanostrukturer, herunder nanosprings og nanoribbons forfølges for fremtidige stort anlagte MD nanomekaniske simuleringer. Den generelle tilgang indebærer oprettelsen af en MD "bulk" silica glas model som rapporteret tidligere 18, og udelader forskellige spiralformede nanostrukturer fra denne "bulk" prøve via to robuste og tilpasningsdygtige edb-kode, der er udviklet til dette formål. Begge beregningsmæssige procedurer giver en tydelig måde at skabe nanoribbon og nanospring modeller med stor effektivitet og atomistisk detalje; disse strukturer er egnede til store atomare simuleringer.Desuden er en tilpasset grafisk brugergrænseflade anvendt til at fremme etablering og visualisering af de spiralformede strukturer.
Strukturen af "bulk" kvartsglas model er oprindeligt skabt ved stuetemperatur. Storstilede MD simuleringer udføres til dette formål ved hjælp af Garofalini interatomare potentiel ligner tidligere undersøgelser 18, hvilket er relativt effektiv beregningsmæssigt og passende for store systemer. Den oprindelige "bulk" silica glas struktur består af en kubisk model (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), som indeholder 192.000 atomer. Den "bulk" silica glas model er i ligevægt ved 300 K i 0,5 nsec at opnå den oprindelige tilstand med periodiske randbetingelser.
To beregningsmæssige procedurer er udviklet og anvendes til at skabe atomistiske silica nanoribbon og nanospring modeller. Den første metode indebærer udelader silica nanoribbons fraaf "bulk" struktur ved hjælp af de parametriske ligninger, der definerer en helix, og dens geometri (pitch, radius af helix og wire radius). Denne procedure omfatter brug af AWK programmeringssprog, Linux operativsystemet, og open source-visualisering software 19. Den generelle iterativ fremgangsmåde til at oprette atomare modeller af nanoribbons omfatter: (1) udvælgelse af et atom i "bulk" kvartsglas model, (2) at beregne afstanden fra udvalgte atom til et punkt i rummet på en foruddefineret spiralformet funktion, (3) at sammenligne denne afstand til radius af den ønskede nanoribbon, og (4) at kassere eller holde atomet i en output data model. En detaljeret trin-for-trin beskrivelse af denne metode indgår i Scalable Open-Source Codes supplerende materiale. Med denne metode blev flere silica nanoribbons oprettet ved hjælp af forskellig tonehøjde, radius af helix og nanoribbon radius-værdier, som blev målt efterfølgendenøjagtighed mod de ønskede dimensionelle værdier med molekylær analyse og visualisering software 19-20. Atomistisk modeller af silica nanoribbons blev genereret med funktionelle geometrier (høje værdier af banen og lave værdier af nanoribbon radius). Nogle artefakter, som består af atomer udelukket i fejl, der fører til en mindre glat nanoribbon overflade, blev observeret ved overordentlig høje nanoribbon radius værdier og ekstremt lave tonehøjdeværdier. Lignende fremgangsmåder er blevet anvendt i processen med at skabe silica nanowires 21-23.
Den anden metode præsenteret her omfatter udelader silica nanosprings fra "bulk" silica struktur ved at gennemføre pre-screeningsmetoder for at øge effektiviteten i tillæg til de matematiske ligninger for en helix. Denne procedure krævede at skabe en mere robust kode i C ++ for at tillade større fleksibilitet i modellering disse spiralformede nanostrukturer. Den iterative metode til at skabe atomistic modeller af nanosprings omfatter: (1) at kassere alle atomer garanteret at falde uden for den spiralformede bane, (2) deterministisk vælge et punkt på den spiralformede bane, (3) at sammenligne alle atomer inden for en bestemt afstand til dette valgte punkt, og (4 ) kassering eller lagring hvert atom i en output data model. En trin-for-trin beskrivelse af denne metode er også inkluderet i den skalerbare Open-Source Codes supplerende materiale. Med denne metode flere silica nanospring modeller blev opnået med forskellige dimensioner (wire radius, radius af helix og tonehøjde nanospring) som vist i figur 1. Meget præcis silica nanospring modeller blev opnået effektivt med denne fremgangsmåde, med ingen tegn på artefakter fundet ved ekstreme (lave og høje) tonehøjdeværdier for nanospring. Oprettelsen og brug af grafisk brugergrænseflade til denne fremgangsmåde er beskrevet i protokol afsnittet.
Figur 1:. En generel spiralformet struktur viser karakteristiske dimensioner, hvor R, R og p repræsenterer wire radius, radius af helix og tonehøjde henholdsvis H betegner den totale højde af den spiralformede struktur 23.
Denne protokol beskriver, hvordan man forbereder NanospringCarver filer, der kører MATLAB 24 på en LINUX 25 pc og bruge en grafisk brugerflade til at forberede atomistiske nanospring modeller. Disse tidligere utilgængelige modeller tjener som grundlag for nye molekylær dynamik (MD) simuleringer 23 mod materialer innovation forskning.
Den generelle trin-for-trin procedure til at oprette atomistiske nanospring modeller indebærer at bruge følgende elementer: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) kode (open-source i C ++ sprog), (b) bulksilica glas model (input fil), (c) Matlab GUI interface og relaterede filer, og (d) MATLAB software (version 7) ved hjælp af en lokal licens på en Linux PC. Items (a) - (c) ovenfor (NanospringCarver kode, silica glas model, MATLAB GUI-filer) er gratis at downloade online 26. MATLAB (Matrix Laboratory) er et højt niveau sprog for numerisk beregning, visualisering og applikationsudvikling fra MathWorks 24, som er for det meste bruges til data visualisering og analyse, billedbehandling og bioinformatik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forberedelse NanospringCarver filer og Start MATLAB på en Linux PC
De følgende trin er designet til en almindelige bruger at gøre brug af de filer, leveres online 26.
- Pak nanosprings.tar.gz filarkivet i "Home" eller en anden foretrukken mappe.
- Download nanosprings.tar.gz filarkiv fra internettet repository 26.
- Find den downloadede arkiv og flytte det til et foretrukket arbejder mappe med titlen "Documents / Nanosprings".
- Højreklik nanosprings.tar.gz og vælg "udtrække her" fra højre-klik genvejsmenuen.
- Kontrollere, at alle de nødvendige filer er til stede i det aktuelle bibliotek. En liste over disse filer og deres formål på følgende måde:
Makefile - manuelt lykkedes compile fil for nanosprings.cpp og Point.cpp
Nanosprings.fig -MATLAB GUI interne
Nanosprings.m -MATLAB GUI kode
Point.cpp - Punkt (atom) klasse definition
Point.h - Punkt (atom) klasse header
carve - fritliggende nanosprings eksekverbare
example.par - eksempel parameter fil
glasscube.inp - glasscube datafil
nanosprings.cpp - main nanosprings kode
nanosprings_diagram.jpg - eksempel nanospring til visning
nanospringsmex.cpp - MATLAB integreret nanosprings.cpp
nanospringsmex.mexglx - MATLAB-integrerede nanosprings eksekverbare
Bemærk: Brugeren bliver nødt til at skabe den "nanospringsmex.mexglx" eksekverbar fil til den særlige Linux maskine, der anvendes (32-bit version i dette eksempel). Hvis dette endnu ikke er sket, verificere adgang til MATLAB "Mex" compilerved at skrive på kommandolinjen ", som Mex" og verificere eksistensen af programmet. Også verificere adgang til MATLAB program ved at skrive på kommandolinjen ", som Matlab". Ved hjælp af en kommandolinje til at skrive "Mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" vil skabe den "nanospringsmex.mexglx" eksekverbar MATLAB integreret NanospringCarver fil, som vist i vejledningen nedenfor. Selvom det ikke er nødvendigt for GUI interface, kan hvis det ønskes en stand-alone version af NanospringCarver programmet blive skabt ved at skrive "gøre" på en kommandolinje. Dette vil kompilere nanosprings.cpp og Point.cpp uddannelseselementer sammen om at skabe den "carve" eksekverbar fil. I denne tutorial, den "glasscube.inp" filen indeholder positionsoplysninger for 192.000 silicium og oxygenatomer representin ga kvartsglas model, med hver linje indeholder et atom ID, atom type og x, y, z koordinater for atomet. Den første linje i filen er den samlede atom count (192.000). Atomkoordinaterne i denne fil er relative værdier, som hvis ganget med 0,716 ville repræsentere nanometer afstande. - På skrivebordet, skal du åbne en terminal vindue. På mange LINUX versioner opnå dette ved samtidigt at trykke på "Ctrl", "Alt" og "T" tasterne.
- Skift bibliotek til den mappe, hvor de nanosprings projekt filer blev ekstraheret ved at taste:
cd Documents / Nanosprings / - Dernæst køre kommandoen til at kompilere den binære for systemet ved at taste:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Næste indlede MATLAB ved at skrive Matlab på kommandolinjen
2. Ændring og hjælp af en Graphical User Interface (GUI) til NanospringCarver Program
ove_content "> Følg nedenstående trin ved hjælp af de filer, leveres online 26.- Åbn GUIDE i MATLAB ved at klikke på ikonet GUIDE, øverst til venstre værktøjslinje område (figur 2), for at vise et nyt vindue med hurtig start (figur 3).
Figur 2: MATLAB brugergrænseflade, der viser, hvordan man åbner MATLAB GUIDE.
Figur 3: MATLAB GUIDE grænseflade initialiseringsmeddelelse.
- Brug fanen "Åbn eksisterende GUI" (Figur 4) for at ændre en eksisterende figur. Klik på knappen "Gennemse" for at søge efter den eksisterende GUItal, der skal ændres. Efter valg tallet fil (Nanosprings.fig, se blå boks), skal du klikke på "Åbn" på begge vinduer til at vise et nyt vindue med GUI figur. Find de knapper, der findes til at blive udnyttet til GUI skabelse på venstre panel (Figur 5).
Figur 4: MATLAB GUIDE-interface, der viser, hvordan man åbner en eksisterende GUI figur fil.
Figur 5: MATLAB GUIDE-interface, der viser værktøjer til at ændre en eksisterende GUI figur.
- For at køre GUI, skal du klikke på "Kør" under "Tools "menuen. Klik derefter på "Ja", når et pop-up vindue spørger om du vil gemme det tal, før du kører. Et nyt vindue viser den modificerede GUI.
- Hvis det er nødvendigt, skal du oprette en anden GUI til et andet specifikt materiale ved hjælp af denne GUI som et eksempel.
- For at opsætte eksempel løb, først klikke på "Vælg input model fil" knappen i toppen af GUI og navigere til "glasscube.inp" fil. Vælg denne fil og klik på "Åbn" for at lukke browservindue. Den valgte input fil og sti til det skulle nu vises i GUI vinduet til højre for "Valgt input model fil" knappen (Figur 6).
Figur 6: Skærmbillede af at bruge GUI til at oprette et eksempel silica nanospring model.
- Derefter kan du bruge "Browse" knappen i afsnittet "Output Model" for at søge efter og vælge den mappe at gemme output model ind. Sørg for, at output mappe aktivt er valgt, for at køre for at blive aktiveret, selv om der er et output mappe allerede er opført i den ledsagende vinduet til højre for denne knap.
Bemærk: "Advance Parametre Minimum Distance" værdi er opført (0.209311 i figur 6) blev beregnet specielt til "glasscube.inp" input-fil, i dette eksempel, og bør overlades som den er. Kan beregnes som nødvendigt Denne værdi ved første brug af et andet input-fil ved at indtaste en værdi på "0" i denne placering, før du kører modellen. I dette eksempel, at alle parameterværdier i relative enheder, der svarer til input atomare koordinatsystem. Hvis ganget med 0,716 parameterværdierne ville repræsentere nanometer afstande. </ Li> - Kør eksempel ved hjælp af de givne foråret parametre r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5, og d = 0,209311 ved at trykke på knappen "Kør" GUI. Se tilbagemeldinger fra at køre i MATLAB Command vinduet (figur 7). I feedback, kontrollere, at foråret parametre bekræftet, at input data fil læses med succes, og resultaterne er gemt i output-fil med navnet "model" er beskrevet.
Figur 7: MATLAB Command vinduet feedback fra GUI-baserede Nanosprings løb.
Bemærk: I ovenstående eksempel filen "model" indeholder 5176 atomer, der omfatter den ønskede fjeder, én pr linje, med den første linje giver det samlede antal atomeri filen. Hver linie definerer en atom omfatter atom ID, atom type og x, y, z koordinater af denne atom.
- Når GUI interface er afsluttet, udføre successive kørsler ved at højreklikke på "Nanosprings.m" i Matlab "Current Folder" vinduet, og vælge "Kør" for at hente GUI interface direkte.
Bemærk: Forskellige referencer er angivet 27-31 for yderligere oplysninger om MATLAB GUIDE og grundlæggende GUIDE interface.
3. Kontrol NanospringCarver Resultater i en Open source Visualizer 19
De følgende trin er designet til en almindelige bruger til at visualisere og kontrollere output foråret modeller skabt af NanospringCarver.
- Brug NanospringCarver Matlab GUI som beskrevet ovenfor for at generere filer til input til visualisering program 19. Når du kører visualisering program, skal du bruge "point coordinspiste fil "input option skelner atom typer af farve, og vælg en akse gitter grænserne for feltet.
- Måle afstande i foråret modeller, og lave en plade af dem.
- Sammenligne målte data mod de ønskede foråret dimensioner og verificere foråret model nøjagtighed.
4. Brug NanospringCarver Resultater i MD Trækstyrkeegenskaber Simuleringer af Nanosprings
De følgende trin er sammenfattet til en generel bruger for at bruge foråret modeller skabt af NanospringCarver som input til en konventionel open source MD kode 32.
- Download den nyeste version af open source-MD program LAMMPS. Der henvises til den tilhørende online-dokumentation for manualer og eksempler.
- Bestem dimensionerne af det ønskede nanospring model for at forberede passende indledende bulksilica glas model, som rapporteret før 18.
- Skabe den ønskede nanospring model ved hjælp af NanospringCarver Matlab GUI (se Sektion 2 ovenfor).
- Udfør trækstyrke simuleringer på den ønskede nanospring, ved at strække model aksialt 11,13,23. Fremstil en repræsentativ video af nanospring model strækkes (se figur 8 nedenfor og Animeret figur 1) til visualisering og analyse. Videnskabelige resultater med hensyn til stress-strain adfærd og stivhed i flere nanospring modeller under spænding er blevet rapporteret andetsteds 23.
Figur 8: Screenshot af en silica nanospring under trækstyrke simulering (se også Animated figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De atomistiske nanoribbon modeller er oprettet med det første beregningsmæssige procedure (nanoribbons kode) og deres tilknyttede dimensioner er vist i figur 9. De resulterende nanospring modeller med den anden beregningsmæssige procedure (nanosprings kode) og tilhørende dimensioner er vist i figur 10.
Figur 9. atomistiske model af en silica nanoribbon med ønskede dimensioner: r (nanoribbon radius) = 1,07 nm, R (radius af helix) = 5,37 nm, og p (pitch) = 7,16 nm. Snapshots illustrerer forskellige visninger af nanostruktur: (a) ovenfra, (b) set fra siden, (c) sidebillede med yderligere rotation, og (d) - (f) diagonale synspunkter. SiO 2 nanoribbon model indeholder 3354 atomer. Det samlede bånd højde H er 14.1 nm 23.
Figur 10. atomistiske model af en silica nanospring med specificerede dimensioner: r (wire radius) = 1,07 nm, R (radius af helix) = 4,29 nm, og p (pitch) = 4,29 nm. Snapshots viser forskellige opfattelser af nanospring model: (a) ovenfra, (b) lateral visning, (c) lateral udsigt med ekstra fremad rotation, og (D) - (f) diagonale synspunkter. SiO 2 nanospring model består af 21.246 atomer. Den samlede fjeder højde H er 14,32 nm 23.
Rækken af nanoribbon og nanospring dimensioner genereret med begge koder var rigelig (r <3,75 nm, R <9 nm, og p <12,57 nm). Hver af de ovennævnte fremgangsmåder har en unik måde at skabe silica nanosprings og nanoribbons egnede tilatomare simuleringer. Begge metoder er fleksibel og kan tilpasses til fremstilling af forskellige spiralformede strukturer uafhængige af materialet, hvilket gør dem meget nyttige og alsidige.
Animerede Figur 1 . Silica nanospring under trækstyrke simulering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Modifikation af den oprindelige fremgangsmåde til at skabe nanohelical strukturer førte til udviklingen af to forskellige koder for at tillade skabelsen af både nanoribbons og nanosprings fra en indledende bulksilica glas MD model. Kontrol af silica nanoribbon og nanospring modeller blev forfulgt ved hjælp af forskellige softwarepakker 19-20, som bekræftede deres dimensionel nøjagtighed i måleevne af programmerne. Sammenligning mellem nanosprings og nanoribbons blev også udført ved at lægge de modeller fra forskellige sider og vinkler, hvilket resulterede i yderligere geometri verifikation. Begge beregningsmetoder, der er udviklet i dette projekt skabt spiralformede nanostrukturer på en særlig måde, med en merværdi på grund af deres skalerbarhed til brug med en bulk-materiale model størrelse og potentielle anvendelse i modellering nanohelical strukturer fra andre materialer. De resulterende modeller, der præsenteres her, viste, at der ikke er nogen påviselige artefakter (atoms mangler fra den ønskede nanohelical struktur), der genereres ved hjælp af enten metode. Desuden er de beregningsmetoder, der er udviklet i dette arbejde er fleksible for at skabe højrehåndede eller venstrehåndede spiralformede nanostrukturer, blot ved at vende rækkefølgen af sinus og cosinus funktioner definerer helix. Fremtidige anvendelser af denne metode vil omfatte skalering til større spiralstrukturer tillader udvidede parameter variation, og udforskning af brug med forskellige oprindelige materialer.
Begrænsninger ved denne fremgangsmåde indbefatter dimensionelle begrænsninger af de oprettede nanohelices afhængigt af udgangsniveauet bulksilica model, der anvendes, hvilket kan indebære betydelige ressourcer computing som model størrelse stiger. Som øjeblikket gennemføres, vil nanoribbon eller nanospring højde udvide til størrelsen af den oprindelige samlede model. Den første metode genererer beregningsmæssige nøjagtige nanoribbon modeller for en række parametre, når banen er større end7,16 nm og radius af den spiralformede tråd er større end 10% af den korteste dimension af "bulk" kvartsglas struktur. Den anden beregningsmetode genererer nøjagtige nanospring modeller uden parameter begrænsning. Dette er især vigtigt for udførelse MD simuleringer, hvor der er brug for let tilgængelige atomare nanostructural modeller til at undersøge forskellige betingelser størrelse.
Et afgørende skridt i protokollen ville være at kontrollere om første anvendelse af en særlig indledende MD bulkmateriale model, den mindste afstand mellem de nærmeste to atomer i modellen er blevet bestemt, og input korrekt med de dimensionelle parametre. Derudover bør der drages omsorg for at sikre, at der anmodes spiralformede dimensioner ikke overstiger bulkgods model dimensioner.
Teknologiske fremskridt har lettet skabelsen og karakterisering af komplekse spiralformede nanostrukturer såsom oxid nanoribbons end nanosprings i laboratoriet. Disse nanoskala strukturer har unikke egenskaber, der kræver en grundig undersøgelse for at realisere deres fulde potentiale for forskellige applikationer. MD studier af den mekaniske opførsel af disse spiralformede strukturer kræver fleksible koder, der nemt og præcist kan skabe spiralformede nanostrukturer, og efterfølgende gør brug af passende interatomare potentialer og metoder til prædiktive simuleringer. For at opfylde dette første krav blev præcise strukturelle modellering regler udviklet som vil blive brugt til store MD kompression simuleringer og eksperimentel validering.
Denne metode til at skabe MD silica glas (ikke-krystallinsk) nanohelical modellerne er væsentlig, da lignende kodekser ikke let tilgængelige og andre alternative tilgange har været fokuseret på krystallinske nanostrukturer. Denne modellering indsats er blevet udvidet, med de resulterende nanostrukturer brugt i MD simulation undersøgelser, som har led til en afhandling fokuseret på den elastiske reaktion af silica glas nanohelices under trækbelastninger 23. Time-effektiv simulering af nanostrukturer er en udfordrende problem, men nye programmering teknikker og atomistiske modeller er specielt ved at blive vigtige for forudsigende studier. Denne modellering teknik er hurtigt at få interesse og hurtigt ved at blive en effektiv metode til modeller, der kræver høj performance computing. Fremtidige akademiske bestræbelser vil sandsynligvis også omfatte tilpasning af disse koder for uddannelse beregningsmæssige forskere og i klasseværelset øvelser. Performing MD simuleringer at studere respons spiralformede strukturer til forskellige belastningsforhold er helt sikkert muligt med disse robuste atomistiske modeller. Succesen for den fremtidige produktion ved hjælp af disse nanostrukturer som byggesten vil afhænge af forståelse af deres struktur og egenskaber, med konsekvenser for nanomanipulation og selvsamlingsproceser. Dette arbejde isa skridt mod at forstå den mekaniske opførsel af sådanne nanostrukturer ved hjælp af storstilede MD simuleringer, som kan være potentielt nyttige til at designe nanodevices for et stort antal ansøgninger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Tim Allis på UC Merced for hans assistance i dette projekt. NSF-COINS program på UCM understøttet (KAM) i en tidlig del af dette arbejde. En NSF-brige award støttede medforfattere (BND og KAM), tilvejebringe midler til dette arbejde og rejseudgifter til konferencer.
Forskergruppen ønsker at anerkende primært National Science Foundation for at finansiere dette arbejde via en brige award. Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation under Grant nr 1.032.653.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MATLAB numerical computing software | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html | See Protocol Introduction and Reference [24] |
| NanospringCarver program code and files | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| MATLAB GUI files | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| Atomistic bulk glass input file | UC Merced - open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26] |
| IFrIT visualization software | Open source software | http://sites.google.com/site/ifrithome/ | See Protocol Section 3 and Reference [19] |
| LAMMPS molecular dynamics software | Open source software | http://lammps.sandia.gov/ | See Protocol Section 4 and Reference [32] |
References
- Gao, P. X., et al. Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices. Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).
- McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G.
- He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
- Cammarata, R. C., Sieradzki, K.
- Becker, N., et al. Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).
- Singh, J. P., Liu, D. -L., Ye, D. -X., Picu, R. C., Lu, T. -M., Wang, G. -C. Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators. Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).
- Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe. Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).
- Dobrokhotov, V., et al.
- Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy. , 19 (2010).
- Sai, V. V. R., et al. Silica nanosprings coated with noble metal nanoparticles: highly active SERS substrates. J. Phys. Chem. C. 115 (2), 453-459 (2010).
- Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D.
- Zhang, G., Zhao, Y.
- Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D.
- Mohedas, I., Garcia, A. P., Buehler, M. J. Nanomechanics of biologically inspired helical silica nanostructures. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: J. Nanoengineering and Nanosystems. 224 (3), 93-100 (2010).
- Chang, I. L., Yeh, M. -S.
- Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
- Chen, X., et al.
- Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).
- Nick Gnedin’s Ionization FRont Interactive Tool (IFrIT) v. 3.2.8 - A general purpose visualization software [Internet]. , Nick Gnedin. Chicago, IL. Available from: https://sites.google.com/site/ifrithome/ (2013).
- Accelrys Inc. Materials Studio Overview [Internet]. , U.S.A. Accelrys. Available from: http://accelrys.com/products/materials-studio (2013).
- Silva, E. C. C. M., Tong, L., Yip, S., Van Vliet, K. J. Size effects on the stiffness of silica nanowires. Small. 2 (2), 239-243 (2006).
- Dávila, L. P., Leppert, V. J., Bringa, E. M. The mechanical behavior and nanostructure of silica nanowires via simulations. Scripta Mater. 60 (10), 843-846 (2009).
- Doblack, B. N. The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems [thesis]. , University of California Merced. Merced, CA. 55-55 (2013).
- MathWorks. MATLAB Overview [Internet]. , Mathworks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html (2013).
- Linux homepage [Internet]. , Linux. U.S.A.. Available from: http://www.linux.org (2013).
- Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
- Blinkdagger - An Engineering and MATLAB blog [Internet]. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2014).
- MathWorks. Introduction to MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/about-the-simple-guide-gui-example.html (2014).
- MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2013).
- MathWorks. Lay out the simple GUI in MATLAB GUIDE [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/lay-out-the-simple-gui-in-guide.html (2013).
- MathWorks. Add components to the MATLAB GUIDE layout area [Internet]. , MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/creating_guis/adding-components-to-the-gui.html (2013).
- LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code [Internet]. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2013).
