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Engineering

पूर्वानुमान अध्ययन के लिए स्केलेबल Nanohelices और बढ़ी 3 डी दृश्य

Published: November 12, 2014 doi: 10.3791/51372

Summary

Nanohelical संरचनाओं का सटीक मॉडलिंग उपन्यास नैनो अनुप्रयोगों के लिए अग्रणी भविष्य कहनेवाला अनुकरण अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण है. वर्तमान में, सॉफ्टवेयर संकुल और कोड atomistic पेचदार मॉडल बनाने में सीमित कर रहे हैं. हम सिमुलेशन के लिए atomistic nanohelical मॉडल बनाने के लिए डिज़ाइन दो प्रक्रियाओं मौजूद है, और एक ग्राफिकल इंटरफ़ेस दृश्य के माध्यम से अनुसंधान को बढ़ाने के लिए.

Abstract

वसंत की तरह सामग्री प्रकृति में और ऊर्जा संचयन, हाइड्रोजन भंडारण और जैविक संवेदन अनुप्रयोगों के लिए नैनो में ब्याज की सर्वव्यापी हैं. भविष्य कहनेवाला सिमुलेशन के लिए, यह सही nanohelices की संरचना मॉडल के लिए सक्षम होने के लिए तेजी से महत्वपूर्ण बन गया है. एक यथार्थवादी मॉडल विकसित करना होगा इन जटिल geometries के गुणों पर स्थानीय संरचना के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए. तिथि करने के लिए, सॉफ्टवेयर संकुल बल्कि atomistic पेचदार मॉडल बनाने में सीमित कर रहे हैं. इस काम आणविक गतिशीलता (एमडी) सिमुलेशन के लिए atomistic सिलिका ग्लास के मॉडल (2 Sio) और nanoribbons nanosprings उत्पादन पर केंद्रित है. "थोक" सिलिका ग्लास, दो कम्प्यूटेशनल प्रक्रियाओं की एक एमडी मॉडल का उपयोग करना ठीक है और nanoribbons nanosprings का आकार बनाने के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं. पहली विधि प्रभावी रूप से मैं से सिलिका nanoribbons के विभिन्न आकृति बनाना ऑक प्रोग्रामिंग भाषा और खुला स्रोत सॉफ्टवेयर को रोजगारएक हेलिक्स परिभाषित करने के लिए वांछित आयाम और पैरामीट्रिक समीकरणों का उपयोग nitial थोक मॉडल,. इस विधि के साथ, सही atomistic सिलिका nanoribbons पिच मूल्यों और आयामों की एक श्रृंखला के लिए उत्पन्न किया जा सकता. दूसरी विधि मॉडलिंग nanohelical संरचनाओं में लचीलापन देता है जो एक और अधिक मजबूत कोड शामिल है. यह दृष्टिकोण विशेष रूप से nanospring मॉडल बनाते समय अधिक से अधिक सटीक और दक्षता में जिसके परिणामस्वरूप, पूर्व स्क्रीनिंग तरीकों के साथ-साथ एक हेलिक्स के लिए गणितीय समीकरणों को लागू करने के लिए लिखा एक सी ++ कोड का इस्तेमाल करता. इन कोड का उपयोग कर, अच्छी तरह से परिभाषित और atomistic सिमुलेशन के लिए उपयुक्त स्केलेबल और nanoribbons nanosprings प्रभावी ढंग से बनाया जा सकता है. दोनों खुले स्रोत कोड में एक जोड़ा मूल्य वे सामग्री की स्वतंत्र अलग पेचदार संरचना, पुन: पेश करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है. इसके अलावा, एक MATLAB ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) atomistic हैली के साथ एक सामान्य उपयोगकर्ता के लिए दृश्य और बातचीत के माध्यम से शिक्षा को बढ़ाने के लिए प्रयोग किया जाता हैकाल संरचनाओं. इन तरीकों में से एक आवेदन यांत्रिक ऊर्जा संचयन प्रयोजनों के लिए एमडी सिमुलेशन के माध्यम से nanohelices के हाल के एक अध्ययन है.

Introduction

नए तरीकों साहित्य 3 में सूचना दी गई है, जबकि पेचदार nanostructures आम तौर पर, रासायनिक वाष्प जमाव तकनीक 1-2 का उपयोग कर प्रयोगशाला में उत्पादित कर रहे हैं. विशेष रूप से nanosprings और nanoribbons क्योंकि उनके विशिष्ट गुणों और सेंसर, प्रकाशिकी, और विद्युत और fluidic उपकरणों 4-7 में होनहार अनुप्रयोगों के अध्ययन किया गया है. संश्लेषण तरीकों पदानुक्रमित प्रणाली के लिए इन संरचनाओं क्षमता निर्माण खंड इकाइयों बनाने, सिलिका (2 Sio) nanoribbons निर्माण करने के लिए सूचित किया गया है. नैदानिक ​​अनुप्रयोगों 9-10 के लिए जेडएनओ 8 या नैनोकणों के साथ लेपित जब 3 डी सिलिका nanosprings के उपन्यास संश्लेषण chemiresistors करने के लिए अपने आवेदन का विस्तार किया गया.

सिलिका nanosprings और nanoribbons के यांत्रिक गुणों पर प्रायोगिक अध्ययन के कारण मुख्य रूप से हेरफेर और परीक्षण तरीकों और equipme में वर्तमान सीमाओं को दुर्लभ हैं,NT. Nanostructures और nanosprings की nanomechanics में जांच सिद्धांत और सिमुलेशन 11-14 का उपयोग कर सूचना दी गई है. वे प्रयोग के माध्यम से पूरी तरह से सुलभ नहीं शासनों तलाश कर सकते हैं क्योंकि कुछ सिमुलेशन 13 अनाकार nanosprings की nanomechanical व्यवहार पर ध्यान केंद्रित किया है. धातु nanosprings की Atomistic पढ़ाई लोचदार संपत्तियों 15 के आकार निर्भरता की जांच के लिए साहित्य में सूचना दी गई है, और अधिक हाल ही में पेचदार क्रिस्टलीय सिलिका nanostructures की nanomechanics 14. Nanospring संरचनाओं का प्रायोगिक परीक्षण भी ऐसे पेचदार कार्बन nanostructures और के रूप में विभिन्न सामग्रियों में प्रदर्शन किया गया है कार्बन nanocoils 16-17. ज्ञान इस प्रकार अब तक इकट्ठा बावजूद ये उपन्यास nanostructures के यांत्रिक गुणों की एक और पूरी समझ के भविष्य nanodevice निर्माण के प्रयासों के लिए आवश्यक है.

एमडी पढ़ाई सिलिका जी के रूप मेंलड़की (गैर क्रिस्टलीय सिलिका) nanohelices अभी भी काफी ऐसी संरचनाओं का atomistic मॉडलिंग अनुकूलित कोड के निर्माण की आवश्यकता है, सीमित हैं. सिलिका ग्लास पेचदार एमडी मॉडल बनाने का कोई अन्य वैकल्पिक तरीकों हाल ही में साहित्य खोज पर इस प्रकार अब तक पहचान की गई है. इस काम में, nanosprings और nanoribbons सहित पेचदार सिलिका ग्लास nanostructures की atomistic मॉडलिंग करने के लिए एक नीचे अप दृष्टिकोण भविष्य बड़े पैमाने पर एमडी nanomechanical सिमुलेशन के लिए अपनाई है. पहले 18 सूचित किया, और इस उद्देश्य के लिए विकसित की दो मजबूत और अनुकूलनीय कंप्यूटर कोड के माध्यम से इस "थोक" नमूना से विभिन्न पेचदार nanostructures के बाहर नक्काशी के रूप में सामान्य दृष्टिकोण एक एमडी "थोक" सिलिका ग्लास मॉडल का निर्माण शामिल है. दोनों कम्प्यूटेशनल प्रक्रियाओं महान दक्षता और atomistic विस्तार के साथ nanoribbon और nanospring मॉडल बनाने के लिए एक अलग तरह की पेशकश; इन संरचनाओं बड़े पैमाने पर atomistic सिमुलेशन के लिए उपयुक्त हैं.इसके अलावा, एक अनुकूलित ग्राफिकल यूजर इंटरफेस पेचदार संरचनाओं के निर्माण और दृश्य की सुविधा के लिए प्रयोग किया जाता है.

"थोक" सिलिका ग्लास मॉडल की संरचना शुरू में कमरे के तापमान पर बनाया जाता है. बड़े पैमाने पर एमडी सिमुलेशन Garofalini का उपयोग इस उद्देश्य के लिए आयोजित की जाती हैं अणु computationally और बड़े सिस्टम के लिए उपयुक्त अपेक्षाकृत कुशल है जो पूर्व के अध्ययन में 18, के समान क्षमता. प्रारंभिक "थोक" सिलिका ग्लास संरचना 192.000 परमाणुओं जिसमें एक घनीय मॉडल (3 14.3 X 14.3 X 14.3 एनएम) के होते हैं. "थोक" सिलिका ग्लास मॉडल आवधिक सीमा शर्तों का उपयोग प्रारंभिक अवस्था प्राप्त करने के लिए 0.5 NSEC के लिए 300 कश्मीर में equilibrated है.

दो कम्प्यूटेशनल प्रक्रियाओं से डिजाइन और atomistic सिलिका nanoribbon और nanospring मॉडल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है. पहली विधि से सिलिका nanoribbons बाहर नक्काशी शामिलएक हेलिक्स परिभाषित कि पैरामीट्रिक समीकरणों का उपयोग "थोक" संरचना, और अपने ज्यामिति (पिच, हेलिक्स की त्रिज्या, और तार त्रिज्या). यह प्रक्रिया ऑक प्रोग्रामिंग भाषा, लिनक्स ऑपरेटिंग सिस्टम, और खुला स्रोत दृश्य सॉफ्टवेयर 19 का उपयोग भी शामिल है. nanoribbons के atomistic मॉडल बनाने के लिए सामान्य चलने प्रक्रिया शामिल है: (1) (2) एक पूर्व निर्धारित पेचदार समारोह पर अंतरिक्ष में एक बिंदु के लिए चयनित परमाणु से दूरी की गणना, "थोक" सिलिका ग्लास मॉडल में एक परमाणु चयन (3) वांछित nanoribbon की त्रिज्या को इस दूरी की तुलना, और (4) discarding या एक आउटपुट डाटा मॉडल में परमाणु रखते. इस विधि के लिए एक विस्तृत कदम दर कदम विवरण स्केलेबल ओपन-सोर्स कोड से पूरक सामग्री में शामिल है. इस विधि के साथ, कई सिलिका nanoribbons बाद मापा गया जो विभिन्न पिच, हेलिक्स और nanoribbon त्रिज्या मूल्यों की त्रिज्या, का उपयोग कर बनाया गयाआणविक विश्लेषण और दृश्य सॉफ्टवेयर 19-20 के साथ वांछित आयामी मूल्यों के खिलाफ सटीकता के लिए. सिलिका nanoribbons के Atomistic मॉडल कार्यात्मक ज्यामिति (पिच के उच्च मूल्यों और nanoribbon त्रिज्या के निम्न मान) के साथ उत्पन्न थे. कुछ कलाकृतियों, गलती से बाहर रखा परमाणुओं से मिलकर एक कम चिकनी nanoribbon सतह के लिए अग्रणी, बेहद उच्च nanoribbon त्रिज्या मूल्यों और बेहद कम पिच मूल्यों पर मनाया गया. इसी तरह के तरीकों सिलिका nanowires के 21-23 बनाने की प्रक्रिया में इस्तेमाल किया गया है.

यहाँ प्रस्तुत दूसरी विधि एक हेलिक्स के लिए गणितीय समीकरणों के अलावा दक्षता बढ़ाने के लिए पूर्व स्क्रीनिंग के तरीकों को लागू करने से "थोक" सिलिका संरचना से सिलिका nanosprings बाहर नक्काशी भी शामिल है. यह प्रक्रिया इन पेचदार nanostructures मॉडलिंग में अधिक से अधिक लचीलेपन की अनुमति के लिए एक और अधिक मजबूत सी ++ कोड बनाने की आवश्यकता है. चलने का विधि atomis बनाने के लिएnanosprings की टिक मॉडल शामिल हैं: (1) चक्करदार पथ के बाहर गिर करने के लिए गारंटी सभी परमाणुओं discarding, (2) deterministically चक्करदार पथ पर एक बिंदु का चयन, (3) यह चयनित बात करने के लिए एक विशिष्ट दूरी के भीतर सभी परमाणुओं की तुलना, और (4 ) discarding या एक आउटपुट डाटा मॉडल में प्रत्येक परमाणु भंडारण. इस विधि के लिए एक कदम दर कदम विवरण भी पूरक सामग्री. इस विधि के साथ, कई सिलिका nanospring मॉडल विभिन्न आयामों (तार त्रिज्या, हेलिक्स की त्रिज्या, और nanospring की पिच) के रूप में साथ प्राप्त किया गया स्केलेबल ओपन स्रोत कोड में शामिल है चित्र 1 में दिखाया गया है. बहुत सटीक सिलिका nanospring मॉडल nanospring के लिए (निम्न और उच्च) पिच मूल्यों चरम पर पाया कलाकृतियों का कोई सबूत के साथ, इस विधि के साथ कुशलता से प्राप्त किया गया. सृजन और इस विधि के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस का उपयोग प्रोटोकॉल खंड में वर्णन किया गया है.


चित्रा 1:. आर, आर और पी क्रमशः तार त्रिज्या, हेलिक्स की त्रिज्या, और पिच का प्रतिनिधित्व करते हैं जहां विशेषता आयाम, दिखा एक सामान्य पेचदार संरचना एच पेचदार संरचना 23 की कुल ऊंचाई अर्थ.

इस प्रोटोकॉल एक लिनक्स 25 पीसी पर MATLAB के 24 चल रहा है, NanospringCarver फाइल तैयार है, और atomistic nanospring मॉडल तैयार करने के लिए एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस का उपयोग कैसे करें. ये पहले से अनुपलब्ध मॉडल उपन्यास आणविक गतिशीलता के लिए आधार (एमडी) सामग्री नवाचार अनुसंधान की ओर 23 सिमुलेशन के रूप में काम करते हैं.

atomistic nanospring मॉडल बनाने के लिए सामान्य कदम दर कदम प्रक्रिया के बाद तत्वों का उपयोग शामिल है: (क) NanospringCarver (. वी 0.5 बीटा) कोड (खुले खट्टासीई सी ++ भाषा), (ख) थोक सिलिका ग्लास मॉडल (इनपुट फ़ाइल), (ग) में MATLAB जीयूआई इंटरफेस और संबंधित फाइलें, और एक लिनक्स पीसी पर एक स्थानीय लाइसेंस का उपयोग कर (घ) में MATLAB सॉफ्टवेयर (संस्करण 7) में. आइटम (एक) - ऊपर (सी) (NanospringCarver कोड, सिलिका ग्लास मॉडल, MATLAB जीयूआई फ़ाइलें) ऑनलाइन 26 डाउनलोड करने के लिए स्वतंत्र हैं. Matlab (मैट्रिक्स प्रयोगशाला) ज्यादातर डेटा दृश्य और विश्लेषण, इमेज प्रोसेसिंग, और कम्प्यूटेशनल जीव विज्ञान के लिए प्रयोग किया जाता है जो MathWorks 24 से संख्यात्मक गणना, दृश्य, और अनुप्रयोग विकास के लिए एक उच्च स्तर की भाषा है.

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Protocol

1. NanospringCarver फाइल तैयार और एक लिनक्स पीसी पर MATLAB शुरू

निम्नलिखित कदम ऑनलाइन 26 उपलब्ध कराई गई फ़ाइलों का उपयोग करने के लिए एक सामान्य उपयोगकर्ता के लिए तैयार कर रहे हैं.

  1. "घर" या किसी अन्य वरीय निर्देशिका में nanosprings.tar.gz फ़ाइल संग्रह खोलना.
    1. वेब भंडार 26 से nanosprings.tar.gz फ़ाइल संग्रह डाउनलोड करें.
    2. डाउनलोड संग्रह जानें, और "दस्तावेज़ / Nanosprings" शीर्षक से एक पसंदीदा काम निर्देशिका के लिए यह कदम.
    3. Nanosprings.tar.gz राइट क्लिक करें और ठीक क्लिक करें संदर्भ मेनू से "यहाँ निकालने" का चयन करें.
  2. आवश्यक फ़ाइलों के सभी वर्तमान निर्देशिका में मौजूद हैं की जाँच करें. उन फ़ाइलों और उनके उद्देश्य निम्न प्रकार की एक सूची:
    Makefile - मैन्युअल nanosprings.cpp और Point.cpp के लिए संकलन फ़ाइल में कामयाब
    Nanosprings.fig -MATLAB जीयूआई internals
    Nanosprings.m -MATLAB जीयूआई कोड
    Point.cpp - प्वाइंट (एटम) वर्ग परिभाषा
    Point.h - प्वाइंट (एटम) वर्ग हैडर
    उत्कीर्ण - खड़े अकेले nanosprings निष्पादन योग्य
    example.par - उदाहरण पैरामीटर फाइल
    glasscube.inp - glasscube डेटा फ़ाइल
    nanosprings.cpp - मुख्य nanosprings कोड
    nanosprings_diagram.jpg - उदाहरण के प्रदर्शन के लिए nanospring
    nanospringsmex.cpp - MATLAB के एकीकृत nanosprings.cpp
    nanospringsmex.mexglx - MATLAB के एकीकृत nanosprings निष्पादन योग्य
    नोट: उपयोगकर्ता (इस उदाहरण में 32-बिट संस्करण) विशेष इस्तेमाल किया जा रहा लिनक्स मशीन के लिए "nanospringsmex.mexglx" निष्पादन योग्य फ़ाइल बनाने की आवश्यकता होगी. यह अभी तक नहीं किया गया है, तो MATLAB "MEX" संकलक के लिए उपयोग सत्यापित"मेक्स जो" कमांड लाइन पर टाइप और कार्यक्रम के अस्तित्व की पुष्टि करने से. इसके अलावा कमांड लाइन "जो MATLAB" पर लिखकर MATLAB के कार्यक्रम के लिए उपयोग की पुष्टि करें. नीचे दिए गए निर्देशों में दिखाया गया है, "nanospringsmex.mexglx" निष्पादन में MATLAB एकीकृत NanospringCarver फ़ाइल बनाएगा "MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp" टाइप करने के लिए एक कमांड लाइन का उपयोग करना. जीयूआई इंटरफेस के लिए आवश्यक नहीं है, हालांकि NanospringCarver कार्यक्रम के एक स्टैंड-अलोन संस्करण अगर वांछित, एक कमांड लाइन पर "कर" टाइप करके बनाया जा सकता है. यह "बनाना" निष्पादन योग्य फ़ाइल बनाने के लिए एक साथ nanosprings.cpp और Point.cpp कार्यक्रम तत्वों संकलन होगा. इस ट्यूटोरियल, "glasscube.inp" फ़ाइल 192,000 सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणुओं representin के लिए स्थिति की जानकारी शामिल गा सिलिका ग्लास मॉडल, हर एक परमाणु आईडी युक्त लाइन, परमाणु प्रकार, और एक्स, वाई के साथ, जेड परमाणु लिए निर्देशांक. फ़ाइल की पहली पंक्ति कुल परमाणु गिनती (192,000) है. इस फ़ाइल में परमाणु निर्देशांक नैनोमीटर दूरी का प्रतिनिधित्व करेंगे 0.716 से गुणा अगर जो रिश्तेदार मूल्यों, कर रहे हैं.
  3. डेस्कटॉप पर एक टर्मिनल विंडो खोलें. कई लिनक्स संस्करण एक साथ, "ऑल्ट" और "टी" कुंजी "Ctrl" दबाने से यह पूरा पर.
  4. Nanosprings परियोजना फाइलों टाइपिंग द्वारा निकाले गए थे जिसमें फ़ोल्डर में निर्देशिका बदलें:
    सीडी दस्तावेज / Nanosprings /
  5. अगला, टाइपिंग द्वारा प्रणाली के लिए द्विआधारी संकलन करने के लिए आदेश चलाएँ:
    MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. अगले आदेश लाइन पर MATLAB लिखकर MATLAB का आरंभ

2. संशोधित करने और NanospringCarver कार्यक्रम के लिए एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) का प्रयोग

"ove_content> ऑनलाइन 26 उपलब्ध कराई गई फ़ाइलों का उपयोग कर नीचे चरणों का पालन करें.

  1. गाइड जल्दी शुरू (चित्रा 3) के साथ एक नया विंडो प्रदर्शित करने के लिए, ऊपर छोड़ दिया टूलबार क्षेत्र (चित्रा 2) पर, गाइड आइकन पर क्लिक करके MATLAB में मार्गदर्शिका खोलने.

चित्रा 2
चित्रा 2: MATLAB मार्गदर्शिका खोलने के लिए कैसे दिखा MATLAB के यूजर इंटरफेस.

चित्रा 3
चित्रा 3: MATLAB गाइड इंटरफ़ेस आरंभ.

  1. एक मौजूदा आंकड़ा संशोधित करने के लिए "ओपन मौजूदा जीयूआई" टैब (चित्रा 4) का प्रयोग करें. मौजूदा जीयूआई के लिए खोज करने के लिए "ब्राउज़ करें" बटन पर क्लिक करेंआंकड़ा संशोधित किया जाना है. आंकड़ा फ़ाइल चुनने के बाद जीयूआई व्यक्ति के साथ एक नया विंडो प्रदर्शित करने के लिए दोनों खिड़कियों पर "ओपन" पर क्लिक करें, (Nanosprings.fig, नीले बॉक्स देखें). बाएं पैनल पर जीयूआई निर्माण (चित्रा 5) के लिए उपयोग किया जा करने के लिए बटन उपलब्ध लगाएँ.

चित्रा 4
चित्रा 4: एक मौजूदा जीयूआई आंकड़ा फ़ाइल को खोलने के लिए कैसे दिखा MATLAB गाइड इंटरफ़ेस.

चित्रा 5
चित्रा 5: MATLAB गाइड इंटरफ़ेस एक मौजूदा जीयूआई आंकड़ा संशोधित करने के लिए उपकरणों दिखा.

  1. जीयूआई को चलाने के लिए आदेश में, के तहत "भागो" पर क्लिक करें "उपकरण "मेनू. एक पॉप-अप विंडो चलाने से पहले आंकड़ा बचाने के लिए कि क्या संकेत देता है तब, जब "हाँ" पर क्लिक करें. एक नई विंडो संशोधित जीयूआई प्रदर्शित करता है.
  2. यदि आवश्यक हो, एक उदाहरण के रूप में इस जीयूआई का उपयोग कर एक अलग विशिष्ट सामग्री के लिए एक और जीयूआई बनाने.
  3. पहले जीयूआई के शीर्ष पर "इनपुट मॉडल फ़ाइल चुनें" बटन पर क्लिक करें और "glasscube.inp" फ़ाइल पर नेविगेट, उदाहरण रन की स्थापना करना. इस फ़ाइल का चयन करें और ब्राउज़िंग विंडो को बंद करने के लिए "ओपन" पर क्लिक करें. यह करने के लिए चयनित इनपुट फ़ाइल और पथ अब "चयनित इनपुट मॉडल फ़ाइल" बटन (चित्रा 6) के अधिकार के लिए जीयूआई खिड़की में दिखाई देनी चाहिए.

चित्रा 6
चित्रा 6: एक उदाहरण सिलिका nanospring मॉडल बनाने के लिए जीयूआई का उपयोग करने का स्क्रीनशॉट.

  1. अगला, के लिए ब्राउज़ करें और में उत्पादन मॉडल को बचाने के लिए निर्देशिका का चयन करने के लिए "उत्पादन मॉडल" खंड में "ब्राउज़ करें" बटन का उपयोग करें. पहले से ही इस बटन के दाईं ओर साथ खिड़की में सूचीबद्ध एक आउटपुट निर्देशिका वहाँ है, भले ही उत्पादन निर्देशिका सक्रिय रूप से सक्षम होने के लिए चलाने के लिए आदेश में चयनित है कि सुनिश्चित करें.
    नोट: सूचीबद्ध "अग्रिम पैरामीटर न्यूनतम दूरी" मूल्य (चित्रा 6 में .209311) इस उदाहरण में दिए गए "glasscube.inp" इनपुट फ़ाइल के लिए विशेष रूप से गणना की गई थी, और है के रूप में छोड़ दिया जाना चाहिए. यह मान मॉडल चलाने से पहले इस स्थान में "0" का एक मान दर्ज करके एक अलग इनपुट फ़ाइल का पहला प्रयोग पर आवश्यक के रूप में गणना की जा सकती है. इस उदाहरण में, सभी पैरामीटर मान समन्वय प्रणाली परमाणु इनपुट मैच के सापेक्ष इकाइयों में हैं. 0.716 से गुणा यदि पैरामीटर मान नैनोमीटर दूरी का प्रतिनिधित्व करेंगे. </ ली>
  2. जीयूआई "भागो" बटन दबाकर आर = 1.0, आर = 5.0, पी = 1.5, और डी = 0.209311 की दी वसंत मापदंडों का उपयोग उदाहरण चलाएँ. MATLAB के आदेश विंडो में रन से फीडबैक देखें (चित्रा 7). प्रतिक्रिया में, इनपुट डेटा फ़ाइल सफलतापूर्वक पढ़ा है कि, वसंत मापदंडों पुष्टि कर रहे हैं कि जाँच, और नामित आउटपुट फ़ाइल में संग्रहीत परिणाम "मॉडल" वर्णित हैं.

चित्रा 7
चित्रा 7: जीयूआई आधारित Nanosprings रन से MATLAB कमांड विंडो प्रतिक्रिया.

नोट: उपरोक्त उदाहरण में, फ़ाइल "मॉडल" परमाणुओं की कुल संख्या देने के पहली पंक्ति के साथ वांछित वसंत, प्रति पंक्ति, जिसमें 5176 परमाणुओं शामिलफ़ाइल में. एक परमाणु परिभाषित प्रत्येक पंक्ति परमाणु आईडी, परमाणु प्रकार, और एक्स, वाई, कि परमाणु Z निर्देशांक शामिल हैं.

  1. जीयूआई इंटरफेस को अंतिम रूप दिए जाने के बाद MATLAB में "Nanosprings.m" "वर्तमान फ़ोल्डर" खिड़की, पर राइट-क्लिक करके लगातार रन प्रदर्शन और "रन" का चयन सीधे जीयूआई इंटरफेस को लाने के लिए.
    नोट: विभिन्न संदर्भों में MATLAB गाइड पर अतिरिक्त जानकारी और बुनियादी गाइड इंटरफेस के लिए 27-31 सूचीबद्ध हैं.

एक खुला स्रोत विजुअलाइज़र 19 में 3. सत्यापित NanospringCarver परिणाम

निम्नलिखित कदम कल्पना और NanospringCarver द्वारा बनाई गई उत्पादन वसंत मॉडल सत्यापित करने के लिए एक सामान्य उपयोगकर्ता के लिए तैयार कर रहे हैं.

  1. दृश्य कार्यक्रम 19 में निवेश के लिए फ़ाइलों को उत्पन्न करने के रूप में ऊपर वर्णित NanospringCarver MATLAB जीयूआई का प्रयोग करें. दृश्य कार्यक्रम चल रहे हैं, "बिंदु coordin उपयोग"इनपुट विकल्प फाइल रंग से परमाणु प्रकार के भेद, और क्षेत्र के लिए एक धुरी ग्रिड सीमा का चयन खाया.
  2. वसंत मॉडल में दूरी को मापने और उनमें से एक रिकॉर्ड बना.
  3. वांछित वसंत आयामों के खिलाफ मापा डेटा की तुलना करें और वसंत मॉडल सटीकता की पुष्टि.

4. Nanosprings के एमडी तन्यता सिमुलेशन में NanospringCarver परिणामों का उपयोग

निम्नलिखित कदम एक पारंपरिक खुले स्रोत एमडी कोड 32 के लिए निवेश के रूप में NanospringCarver द्वारा बनाई वसंत मॉडल का उपयोग करने के लिए एक सामान्य उपयोगकर्ता के लिए संक्षेप हैं.

  1. एमडी कार्यक्रम LAMMPS खुले स्रोत के नवीनतम संस्करण को डाउनलोड करें. मैनुअल और उदाहरण के लिए एसोसिएटेड ऑनलाइन दस्तावेज देखें.
  2. 18 से पहले रिपोर्ट के रूप में, उचित प्रारंभिक थोक सिलिका ग्लास मॉडल तैयार करने के क्रम में वांछित nanospring मॉडल के आयाम तय.
  3. NanospringCarver MATLAB जीयूआई का उपयोग कर वांछित nanospring मॉडल बनाएँ (देखें सेction 2 से ऊपर).
  4. अक्षीय रूप से 11,13,23 मॉडल खींच द्वारा वांछित nanospring पर तन्यता सिमुलेशन प्रदर्शन करना. Nanospring मॉडल का एक प्रतिनिधि वीडियो बढ़ाया जा रहा उत्पादन (नीचे चित्रा 8, देखते हैं, और एनिमेटेड चित्रा 1) के दृश्य और विश्लेषण के लिए. तनाव के तहत कई nanospring मॉडल के तनाव तनाव व्यवहार और कठोरता के बारे में वैज्ञानिक परिणाम कहीं 23 सूचित किया गया है.

चित्रा 8
चित्रा 8: तन्यता सिमुलेशन के दौरान एक सिलिका nanospring का स्क्रीनशॉट (भी चित्रा 1 एनिमेटेड देखें).

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Representative Results

पहले कम्प्यूटेशनल प्रक्रिया (nanoribbons कोड) के साथ बनाया atomistic nanoribbon मॉडल और उनके संबद्ध आयाम 9 चित्रा में दिखाया जाता है. दूसरा कम्प्यूटेशनल प्रक्रिया (nanosprings कोड) और एसोसिएटेड आयामों का उपयोग परिणामस्वरूप nanospring मॉडल चित्रा 10 में दिखाया जाता है.

चित्रा 9
चित्रा 9. Atomistic वांछित आयामों के साथ एक सिलिका nanoribbon की मॉडल: आर (nanoribbon त्रिज्या) = 1.07 एनएम, आर (हेलिक्स की त्रिज्या) = 5.37 एनएम, और पी (पिच) = 7.16 एनएम. - (च) विकर्ण दृश्य (एक) शीर्ष देखने के लिए, (ख) पार्श्व दृश्य, (ग) अतिरिक्त रोटेशन के साथ पार्श्व दृश्य, और (घ): फोटो nanostructure की अलग विचारों को वर्णन. 2 Sio nanoribbon मॉडल 3354 परमाणुओं में शामिल है. कुल रिबन ऊंचाई एच 1 है4.1 23 एनएम.

चित्रा 10
चित्रा 10 Atomistic निर्दिष्ट आयामों के साथ एक सिलिका nanospring की मॉडल: आर (तार त्रिज्या) = 1.07 एनएम, आर (हेलिक्स की त्रिज्या) = 4.29 एनएम, और पी (पिच) = 4.29 एनएम. - (च) विकर्ण दृश्य (एक) शीर्ष देखने के लिए, (ख) पार्श्व दृश्य, (ग) अतिरिक्त आगे रोटेशन के साथ पार्श्व दृश्य, और (घ): फोटो nanospring मॉडल के अलग अलग विचार दिखा. 2 Sio nanospring मॉडल 21,246 परमाणुओं के होते हैं. कुल वसंत ऊंचाई एच 14.32 एनएम 23 है.

दोनों कोड के साथ उत्पन्न nanoribbon और nanospring आयामों की सीमा पर्याप्त (R <3.75 एनएम, आर <9 एनएम, और पी <12.57 एनएम) था. उपर्युक्त विधियों से प्रत्येक के लिए उपयुक्त सिलिका nanosprings और nanoribbons बनाने के लिए एक अनूठा तरीका प्रदान करता हैatomistic सिमुलेशन. दोनों तरीकों लचीला कर रहे हैं और उन्हें अत्यधिक उपयोगी और बहुमुखी बनाता है जो सामग्री के स्वतंत्र अलग पेचदार संरचनाओं का निर्माण करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है.

एनिमेटेड चित्रा 1 . तन्यता सिमुलेशन के दौरान सिलिका nanospring.

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Discussion

मूल दृष्टिकोण के संशोधन के लिए एक प्रारंभिक थोक सिलिका ग्लास के प्रबंध निदेशक मॉडल से दोनों nanoribbons और nanosprings के निर्माण की अनुमति के लिए दो अलग-अलग कोड के विकास के लिए नेतृत्व nanohelical संरचना बनाने के लिए. सिलिका nanoribbon और nanospring मॉडल का सत्यापन कार्यक्रमों की माप क्षमता के भीतर अपने आयामी सटीकता की पुष्टि की है, जो विभिन्न सॉफ्टवेयर संकुल 19-20, का उपयोग पीछा किया गया था. Nanosprings और nanoribbons के बीच तुलना भी अतिरिक्त ज्यामिति सत्यापन में हुई जो विभिन्न पक्षों और कोणों से मॉडल overlaying द्वारा किया गया था. कारण अन्य सामग्री से मॉडलिंग nanohelical संरचनाओं में किसी भी सामग्री थोक मॉडल आकार और क्षमता उपयोग के साथ इस्तेमाल के लिए अपने scalability के लिए जोड़ा मूल्य के साथ एक अलग तरीके से पेचदार nanostructures, बनाया इस परियोजना में विकसित दोनों कम्प्यूटेशनल विधियों. यहाँ प्रस्तुत परिणामी मॉडल नहीं detectable कलाकृतियों वहाँ से पता चला है (एकवांछित nanohelical संरचना से लापता सीमा) विधि का उपयोग उत्पन्न. इसके अलावा, इस काम में विकसित कम्प्यूटेशनल विधियों बस हेलिक्स परिभाषित साइन और कोसाइन कार्यों का आदेश inverting द्वारा,-सही हाथ या बाएं हाथ के पेचदार nanostructures बनाने के लिए लचीला कर रहे हैं. इस विधि के भविष्य अनुप्रयोगों विस्तारित पैरामीटर भिन्नता की अनुमति बड़ा पेचदार संरचनाओं के लिए स्केलिंग, और विभिन्न प्रारंभिक सामग्री के साथ उपयोग के अन्वेषण शामिल होंगे.

इस विधि की सीमाएं मॉडल आकार बढ़ जाती है के रूप में महत्वपूर्ण कंप्यूटिंग संसाधनों को शामिल कर सकते हैं जो इस्तेमाल किया प्रारंभिक थोक सिलिका मॉडल के आधार पर बनाया nanohelices पर आयामी प्रतिबंध शामिल हैं. जैसा कि वर्तमान में लागू किया, nanoribbon या nanospring ऊंचाई मूल थोक मॉडल के आकार के विस्तार होगा. पिच मूल्य से अधिक होता है जब पहली कम्प्यूटेशनल विधि मानकों की एक श्रृंखला के लिए सही nanoribbon मॉडल उत्पन्न7.16 एनएम और पेचदार तार की त्रिज्या "थोक" सिलिका ग्लास संरचना के कम से कम आयाम के एक से अधिक 10% है. दूसरा कम्प्यूटेशनल विधि पैरामीटर सीमा के बिना सही nanospring मॉडल उत्पन्न करता है. यह आसानी से उपलब्ध atomistic nanostructural मॉडल विभिन्न आकार की स्थिति की जांच करने की जरूरत है, जहां एमडी सिमुलेशन के संचालन के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है.

प्रोटोकॉल में एक महत्वपूर्ण कदम मॉडल में निकटतम दो परमाणुओं के बीच न्यूनतम दूरी आयामी मानकों के साथ सही ढंग से निर्धारित और इनपुट दिया गया है कि एक विशेष प्रारंभिक एमडी थोक सामग्री मॉडल का पहला प्रयोग पर सत्यापित करने के लिए किया जाएगा. साथ ही, देखभाल थोक सामग्री मॉडल आयाम से अधिक नहीं है पेचदार आयाम अनुरोध किया है कि यह सुनिश्चित करने के लिए लिया जाना चाहिए.

तकनीकी विकास के इस तरह के ऑक्साइड nanoribbons एक के रूप में जटिल पेचदार nanostructures की रचना और लक्षण वर्णन में मदद की हैप्रयोगशाला में डी nanosprings. ये nanoscale संरचनाओं विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए अपनी पूरी क्षमता का एहसास करने के क्रम में पूरी तरह से जांच की आवश्यकता है कि अद्वितीय गुण होते हैं. इन पेचदार संरचनाओं के यांत्रिक व्यवहार के एमडी पढ़ाई आसानी से और ठीक पेचदार nanostructures बनाते हैं, और बाद में भविष्य कहनेवाला सिमुलेशन के लिए उपयुक्त अणु के बीच क्षमता और विधियों का उपयोग कर सकते हैं जो लचीला कोड की आवश्यकता है. यह पहली आवश्यकता को पूरा करने के लिए, सटीक संरचनात्मक मॉडलिंग कोड बड़े पैमाने पर एमडी संपीड़न सिमुलेशन और प्रयोगात्मक सत्यापन के लिए उपयोग किया जाएगा जो विकसित किए गए.

आसानी से उपलब्ध नहीं समान कोड और अन्य वैकल्पिक तरीकों क्रिस्टलीय nanostructures पर ध्यान केंद्रित किया गया है के रूप में एमडी सिलिका ग्लास (गैर क्रिस्टलीय) nanohelical मॉडल बनाने का यह तरीका, महत्वपूर्ण है. इस मॉडलिंग प्रयास एल है जो एमडी सिमुलेशन अध्ययन में इस्तेमाल किया परिणामी nanostructures, साथ, विस्तारित किया गया हैएक शोध के लिए एड तन्य भार 23 के तहत सिलिका ग्लास nanohelices की लोचदार प्रतिक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया. Nanostructures के समय कुशल सिमुलेशन हालांकि नई प्रोग्रामिंग तकनीक और atomistic मॉडल विशेष रूप से भविष्य कहनेवाला अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं, एक चुनौतीपूर्ण समस्या है. इस मॉडलिंग तकनीक तेजी से ब्याज प्राप्त कर रहा है और जल्दी से उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग की आवश्यकता होती है जो मॉडल के लिए एक कारगर तरीका बनता जा रहा है. भविष्य शैक्षिक प्रयासों कम्प्यूटेशनल शोधकर्ताओं के प्रशिक्षण के लिए और कक्षा अभ्यास में इन कोड के अनुकूलन शामिल होने की संभावना होगी. विभिन्न लोडिंग शर्तों को पेचदार संरचनाओं की प्रतिक्रिया का अध्ययन करने के एमडी सिमुलेशन प्रदर्शन इन मजबूत atomistic मॉडल के साथ निश्चित रूप से संभव है. इमारत ब्लॉक के रूप में इन nanostructures का उपयोग भविष्य निर्माण की सफलता nanomanipulation और आत्म विधानसभा प्रक्रियाओं पर प्रभाव के साथ, उनकी संरचना और गुणों की समझ पर निर्भर करेगा. यह काम मैंआवेदनों की एक बड़ी संख्या के लिए nanodevices डिजाइनिंग के लिए संभावित रूप से उपयोगी हो सकता है, जो बड़े पैमाने पर एमडी सिमुलेशन, का उपयोग ऐसे nanostructures के यांत्रिक व्यवहार को समझने की ओर सा कदम है.

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Disclosures

लेखकों वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि घोषणा.

Acknowledgments

लेखकों को इस परियोजना में उसकी सहायता के लिए यूसी Merced पर टिम Allis धन्यवाद देना चाहता हूँ. UCM में NSF के-सिक्के कार्यक्रम इस काम का एक प्रारंभिक भाग में (KAM) का समर्थन किया. एक NSF-brige पुरस्कार सम्मेलनों के लिए यह काम और यात्रा खर्च के लिए धन उपलब्ध कराने, सह लेखक (BND और KAM) का समर्थन किया.

अनुसंधान समूह एक brige पुरस्कार के माध्यम से इस काम के वित्तपोषण के लिए मुख्य रूप से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन को स्वीकार करना चाहती है. इस सामग्री को अनुदान संख्या 1032653 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित काम पर आधारित है.

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]

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भौतिकी अंक 93 पेचदार atomistic मॉडल; ओपन-सोर्स कोडिंग; ग्राफिकल यूजर इंटरफेस; दृश्य सॉफ्टवेयर; आणविक गतिशीलता सिमुलेशन; चित्रमय प्रोसेसिंग यूनिट सिमुलेशन त्वरित.
पूर्वानुमान अध्ययन के लिए स्केलेबल Nanohelices और बढ़ी 3 डी दृश्य
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Meagher, K. A., Doblack, B. N.,More

Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Davila, L. P. Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. J. Vis. Exp. (93), e51372, doi:10.3791/51372 (2014).

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