Summary
מודלים מדויקים של מבני nanohelical חשוב למחקרי הדמיה חזוי מובילים ליישומי ננו-טכנולוגיה חדשניות. נכון לעכשיו, חבילות תוכנה וקודים מוגבלות ביצירת מודלים סליל האטומיסטית. אנו מציגים שני הליכים שנועדו ליצור מודלים nanohelical האטומיסטית לסימולציות, וממשק גרפי כדי לשפר את המחקר באמצעות הדמיה.
Abstract
חומרים דמויי קפיץ נמצאים בכל מקום בטבע ועניין בננוטכנולוגיה לקצירת אנרגיה, אחסון מימן, ויישומי חישה ביולוגיים. לסימולציות חזויה, זה הפך להיות יותר ויותר חשוב להיות מסוגל מודל מבנה nanohelices מדויק. כדי לחקור את ההשפעה של מבנה המקומי על המאפיינים של גיאומטריות המורכבות אלה יש לפתח מודלים מציאותיים. עד כה, חבילות תוכנה שלא מוגבלות ביצירת מודלים סליל האטומיסטית. עבודה זו מתמקדת בייצור דגמים האטומיסטית של זכוכית סיליקה (SiO 2) nanoribbons וnanosprings לדינמיקה מולקולרית הדמיות (MD). באמצעות מודל MD זכוכית סיליקה "בתפזורת", שתי פרוצדורות חישוביות כדי ליצור את הצורה של nanoribbons וnanosprings בדיוק מוצגים. השיטה הראשונה מעסיקה תוכנה בשפת תכנות וקוד פתוח AWK לגלף ביעילות בצורות שונות של nanoribbons סיליקה מאנימודל nitial בתפזורת, באמצעות ממדים רצויים ומשוואות פרמטרית להגדיר סליל. בשיטה זו, יכולה להיות שנוצרה nanoribbons סיליקה האטומיסטית מדויקת לטווח ערכי המגרש ומידות. השיטה השנייה כרוכה קוד חזק יותר המאפשר גמישות במבני nanohelical דוגמנות. גישה זו משתמשת בקוד C ++ במיוחד שנכתב ליישום שיטות סינון מראש, כמו גם את המשוואות המתמטיות לסליל, וכתוצאה מכך דיוק ויעילות רבים יותר בעת יצירת המודלים nanospring. שימוש בקודים אלה, מוגדרים היטב וnanoribbons מדרגי וnanosprings המתאימה לסימולציות האטומיסטית ניתן ליצור באופן יעיל. ערך מוסף בשני קודי הקוד פתוח הוא שהם יכולים להיות מותאמים ללשכפל את מבני סליל שונים, בלתי תלויים בחומר. בנוסף, ממשק MATLAB משתמש גרפי (GUI) משמש כדי לשפר את הלמידה באמצעות הדמיה ואינטראקציה של משתמש כללי עם חלי האטומיסטיתמבני קאל. אחד יישומים של שיטות אלה הוא המחקר שנערך לאחרונה של nanohelices באמצעות סימולציות MD למטרות קצירת אנרגיה מכאניות.
Introduction
ננו סליל מיוצר בדרך כלל במעבדה תוך שימוש בטכניקות בתצהיר אדים כימיים 1-2, ואילו גישות חדשות דווחו בספרות 3. בפרט nanosprings וnanoribbons נחקרו בגלל התכונות הייחודיות והיישומים המבטיחים בחיישנים, אופטיקה, והתקני אלקטרו-מכאניים וfluidic 4-7. שיטות סינתזה דווחו לייצר סיליקה (SiO 2) nanoribbons, מה שהופך את המבנים האלה יחידות אבן בניין פוטנציאליות למערכות היררכיות. סינתזת רומן של nanosprings סיליקה 3D הרחיבה את היישומים שלהם לchemiresistors כאשר מצופה בתחמוצת האבץ 8 או חלקיקים עבור יישומי אבחון 9-10.
מחקרי ניסויים על התכונות מכאניות של nanosprings סיליקה וnanoribbons נדירים, בעיקר בשל מגבלות הנוכחיות בשיטות מניפולציה והבדיקה וequipmeNT. חקירות לnanomechanics של ננו וnanosprings כבר דיווחו על שימוש בתאוריה וסימולציות 11-14. סימולציות כ -13 התמקדו בהתנהגות nanomechanical של nanosprings אמורפי, כי הם יכולים לחקור את המשטרים אינם נגישים באופן מלא באמצעות ניסויים. מחקרים האטומיסטית של nanosprings המתכתי דווחו בספרות כדי לחקור את תלות הגודל של תכונות אלסטיות 15, ולאחרונה nanomechanics של ננו גבישי סיליקה סליל 14. בדיקה ניסיונית של מבני nanospring גם בוצעה בחומרים שונים כגון ננו פחמן סליל ו nanocoils פחמן 16-17. למרות הידע שנאסף עד כה, הבנה של התכונות מכאניות של ננו הרומן אלה מלאים יותר נחוצה למאמצי ייצור nanodevice עתיד.
מחקרי MD של g סיליקהילדה nanohelices (סיליקה אינם גבישי) הם עדיין די מוגבל, הדוגמנות האטומיסטית של מבנים כאמור מחייבת יצירת קודים מותאמים אישית. אין שיטות אלטרנטיביות אחרות של יצירת המודלים MD סליל זכוכית סיליקה זוהו עד כה על חיפוש בספרות האחרונה. בעבודה זו, מלמטה למעלה לדוגמנות האטומיסטית של ננו זכוכית סיליקה סליל כולל nanosprings וnanoribbons חתירה לסימולציות nanomechanical MD בקנה מידה גדולה בעתיד. הגישה הכללית כרוכה ביצירת מודל זכוכית MD "בתפזורת" סיליקה כפי שדווח בעבר 18, וגילוף החוצה ננו סליל שונים ממדגם "בתפזורת" זה באמצעות שני קודי מחשב חזקים וישימה פותחו למטרה זו. שני פרוצדורות חישוביות מציעות דרך ייחודית ליצירת מודלים nanoribbon וnanospring ביעילות רבה ובפירוט האטומיסטית; מבנים אלה מתאימים לסימולציות האטומיסטית בקנה מידה גדולה.בנוסף, ממשק משתמש גרפי מותאם אישית משמש כדי להקל על יצירה ויזואליזציה של מבני הסליל.
מבנו של המודל "בתפזורת" זכוכית סיליקה נוצרים בתחילה בטמפרטורת חדר. סימולציות MD בקנה מידה גדולה שנערכו למטרה זו באמצעות Garofalini interatomic פוטנציאל דומה למחקרים קודמים 18, שהוא יעיל יחסית המחשוב ומתאים למערכות גדולות. המבנה הראשוני הזכוכית "בתפזורת" סיליקה מורכבת ממודל קובייה (14.3 x 14.3 x 14.3 ננומטר 3) המכיל 192,000 אטומים. מודל זכוכית סיליקה "בתפזורת" הוא equilibrated ב 300 K ל0.5 nsec להשיג את המצב ההתחלתי באמצעות תנאי שפה מחזוריות.
שתי פרוצדורות חישוביות מתוכננות ומנוצלות כדי ליצור מודלים nanoribbon סיליקה וnanospring האטומיסטית. השיטה הראשונה כוללת גילוף החוצה nanoribbons סיליקה מהמבנה "בתפזורת" באמצעות המשוואות פרמטרית שמגדירות סליל, והגיאומטריה שלו (המגרש, רדיוס של סליל, ורדיוס תיל). הליך זה כולל שימוש בשפת AWK תכנות, מערכת ההפעלה לינוקס, ותוכנת הדמיה קוד פתוח 19. ההליך החוזר והנשנה הכללי כדי ליצור מודלים האטומיסטית של nanoribbons כולל: (1) בחירת אטום במודל זכוכית סיליקה "בתפזורת", (2) חישוב המרחק מהאטום נבחר לנקודה במרחב בפונקצית סליל מוגדרת מראש, (3) השוואת מרחק זה לרדיוס של nanoribbon הרצוי, ו- (4) השלכת או שמירה על האטום במודל נתוני תפוקה. תיאור צעד אחר צעד מפורט לשיטה זו כלול בקודי Scalable הקוד פתוח נוסף החומר. בשיטה זו, כמה nanoribbons סיליקה נוצרו באמצעות גובה צליל שונה, רדיוס של ערכי סליל ורדיוס nanoribbon, שנמדדו לאחר מכןלדיוק נגד ערכי ממדים הרצויים עם ניתוח מולקולרי ותוכנה להדמיה 19-20. מודלים האטומיסטית של nanoribbons סיליקה נוצרו בגיאומטריות תפקודיות (ערכים גבוהים של המגרש וערכים נמוכים של רדיוס nanoribbon). חפצים מסוימים, מורכב מאטומים לא נכללו בטעות, שהוביל למשטח nanoribbon פחות חלק, נצפו בערכי רדיוס nanoribbon הגבוהים ביותר וערכי המגרש נמוכים מאוד. שיטות דומות שימשו בתהליך של יצירת ננו-חוטי סיליקה 21-23.
השיטה השנייה המוצגת כאן כוללת גילוף החוצה nanosprings סיליקה ממבנה סיליקה "בתפזורת" על ידי יישום שיטות סינון מראש כדי להגביר את היעילות, בנוסף למשוואות המתמטיות לסליל. הליך זה נדרש יצירת קוד C ++ חזק יותר, כדי לאפשר גמישות רבה יותר בדוגמנות ננו הסליל אלה. שיטת איטרטיבי כדי ליצור atomis מודלים טיקים של nanosprings כוללים: (1) השלכת כל האטומים מובטח ליפול מחוץ למסלול הסליל, (2) deterministically בחירת נקודה בדרך הסליל, (3) להשוות את כל האטומים במרחק מסוים לנבחרה נקודה זו, ו( 4 ) השלכת או אחסון כל אטום במודל נתוני תפוקה. תיאור צעד-אחר-צעד לשיטה זו נכללה גם בקודי הקוד הפתוח Scalable משלימה חומר. בשיטה זו, מספר דגמי nanospring סיליקה התקבלו עם ממדים מגוונים (רדיוס תיל, רדיוס של סליל, ומגרש של nanospring) כ שמוצג באיור 1. המודלים nanospring סיליקה מאוד מדויקת התקבלו ביעילות בשיטה זו, ללא עדות לחפצים שנמצאו בערכים קיצוניים המגרש (נמוכים וגבוהים) לnanospring. היצירה ושימוש בממשק המשתמש הגרפי לשיטה זו מתוארת בסעיף הפרוטוקול.
בעמודים = "תמיד"> 
איור 1:. מבנה סליל כללי מראה ממדים אופייניים, שבו r, R ו- p מייצגים את רדיוס התיל, רדיוס של סליל, ומגרש בהתאמה H מציין את הגובה הכולל של מבנה סליל 23.
פרוטוקול זה מתאר כיצד להכין את קבצי NanospringCarver, פועל 24 MATLAB על מחשב LINUX 25, ולהשתמש בממשק משתמש גרפי להכנת דגמי nanospring האטומיסטית. מודלים זמינים בעבר אלו משמשים כבסיס לדינמיקה מולקולרית חדשה (MD) סימולציות 23 בדרך למחקר חדשנות חומרים.
הליך צעד-אחר-צעד הכללי כדי ליצור מודלים nanospring האטומיסטית כרוך בשימוש במרכיבים הבאים: (א) NanospringCarver (. V 0.5 בטא) קוד (פתוח-חמוץce בשפת C ++), (ב) מודל זכוכית סיליקה בתפזורת (קובץ קלט), () ממשק ג MATLAB GUI וקבצים קשורים, ו() תוכנת ד MATLAB (גרסה 7) שימוש ברישיון מקומי על מחשב LINUX. פריטים (א) - (ג) לעיל (קוד NanospringCarver, מודל זכוכית סיליקה, קבצי MATLAB GUI) הם להורדה בחינם באינטרנט 26. MATLAB (מטריקס מעבדה) הוא שפה ברמה גבוהה לחישוב מספרי, הדמיה, ופיתוח יישומים מ -24 MathWorks, המשמש בעיקר להדמיה וניתוח של נתונים, עיבוד תמונה, וביולוגיה חישובית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת NanospringCarver קבצים והחל MATLAB על מחשב LINUX
השלבים הבאים מיועדים לשימוש כללי לעשות שימוש בקבצים הניתנים באינטרנט 26.
- לפרוק את ארכיון קובץ nanosprings.tar.gz ל" הבית "או אחר בספרייה מועדפת.
- הורד את קובץ ארכיון nanosprings.tar.gz ממאגר האינטרנט 26.
- אתר את הארכיון הוריד ולהעביר אותה לספריית עבודה מועדפת זכאית "מסמכים / Nanosprings".
- לחץ לחיצה ימנית על nanosprings.tar.gz ובחר "לחלץ כאן" מתוך תפריט ההקשר לחץ לחיצה ימנית.
- ודא שכל הקבצים הדרושים נמצאים בספרייה הנוכחית. רשימה של קבצים אלו, והמטרה שלהם כדלקמן:
Makefile - הצליח לקמפל קובץ לnanosprings.cpp וPoint.cpp ידני
Nanospinternals rings.fig -MATLAB GUI
קוד Nanosprings.m -MATLAB GUI
Point.cpp - נקודת הגדרה (אטום) בכיתה
Point.h - נקודת כותרת (אטום) בכיתה
לגלף - nanosprings עצמאי הפעלה
example.par - קובץ פרמטר דוגמא
glasscube.inp - קובץ נתונים glasscube
nanosprings.cpp - קוד nanosprings הראשי
nanosprings_diagram.jpg - דוגמא nanospring לתצוגה
nanosprings.cpp משולב MATLAB - nanospringsmex.cpp
nanospringsmex.mexglx - nanosprings משולב MATLAB הפעלה
הערה: המשתמש צריך ליצור קובץ ההפעלה "nanospringsmex.mexglx" למכונה המסוימת לינוקס בשימוש (גרסת 32 סיביות בדוגמא זו). אם זה עדיין לא נעשה, לוודא גישה למהדר "MEX" MATLABעל ידי הקלדה בשורת הפקודה "שMEX" ואימות קיומה של התכנית. גם להבטיח את הגישה אל תכנית MATLAB ידי הקלדה בשורת הפקודה "שmatlab". שימוש בשורת פקודה להקליד "nanospringsmex.cpp MEX Point.cpp" ייצור קובץ NanospringCarver "nanospringsmex.mexglx" משולב-MATLAB ההפעלה, כפי שמוצג בהוראות שלהלן. למרות שלא נדרשו לממשק GUI, אם ארצה בגרסה עצמאית של תכנית NanospringCarver ניתן ליצור על ידי הקלדה "לעשות" בשורה הפקודה. זה לקמפל nanosprings.cpp ואלמנטי תכנית Point.cpp יחד כדי ליצור קובץ ההפעלה "לגלף". במדריך זה, "glasscube.inp" קובץ מכיל מידע מיקום ל192,000 representin סיליקון ואטומי חמצן מודל זכוכית סיליקה ga, עם כל שורה המכילה קוד זיהוי אטום, סוג האטום, וx, y, z קואורדינטות של האטום. השורה הראשונה של הקובץ היא המספר הכולל אטום (192,000). הקואורדינטות האטומיות בקובץ זה הן ערכים יחסי, שאם הוא מוכפל 0.716 ייצג מרחקי ננומטר. - על שולחן העבודה, לפתוח חלון מסוף. בגירסאות LINUX רבות להשיג זאת על ידי הלחיצה בו זמנית "Ctrl", "Alt" ומפתחות "T".
- שנה את הספרייה לתיקייה שאליה קבצי פרויקט nanosprings חולצו על ידי הקלדה:
מסמכי cd / Nanosprings / - בשלב הבא, הפעל את הפקודה כדי לקמפל את הבינארי של המערכת על ידי הקלדה:
MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp - הבא ליזום MATLAB ידי הקלדת matlab בשורת הפקודה
2. שינוי ושימוש בממשק משתמש גרפי (GUI) לתכנית NanospringCarver
ove_content "> בצע את השלבים הבאים תוך שימוש בקבצים הניתנים באינטרנט 26.- לפתוח את המדריך בMATLAB על ידי לחיצה על סמל המדריך, באזור סרגל הכלים השמאלי העליון (איור 2), כדי להציג את חלון חדש עם המדריך להתחלה מהירה (איור 3).
איור 2: ממשק משתמש MATLAB מראה איך לפתוח MATLAB מדריך.
איור 3: מאתחל ממשק מדריך MATLAB.
- השתמש בכרטיסייה "GUI קיים הפתוח" (איור 4) לשנות דמות קיימת. לחץ על כפתור "עיון" כדי לחפש GUI הקייםדמות להיות שונה. לאחר בחירת קובץ הדמות (Nanosprings.fig, לראות קופסא כחולה), לחץ על "פתח" על שני החלונות לתצוגת חלון חדש עם דמות GUI. אתר את הכפתורים זמינים כדי להיות מנוצלים ליצירת GUI בפנל השמאלי (איור 5).
איור 4: ממשק מדריך MATLAB מראה איך לפתוח קובץ דמות GUI הקיים.
איור 5: ממשק מדריך MATLAB מראה כלים לשינוי דמות GUI קיימים.
- על מנת להפעיל את הממשק הגרפי, לחץ על "הפעל" תחת "תפריט כלים ". לאחר מכן, לחץ על "כן" כאשר חלון מוקפץ מבקש אם לשמור את הדמות לפני ההפעלה. חלון חדש מציג ממשק גרפי שונה.
- במידת צורך, ליצור GUI אחר לחומר ספציפי שונה באמצעות ממשק גרפי זה כדוגמא.
- כדי להגדיר את דוגמא הריצה, לחץ ראשון על הכפתור "בחר קובץ מודל קלט" בחלק העליון של GUI ולנווט לקובץ "glasscube.inp". בחר את קובץ ולחץ על "פתח" כדי לסגור את חלון הגלישה. הקובץ שנבחר הקלט והדרך אליו אמורים להופיע בחלון GUI לימין ללחצן "קובץ מודל קלט נבחרים" (איור 6).
איור 6: צילום מסך של שימוש GUI כדי ליצור מודל nanospring סיליקה דוגמא.
- בשלב הבא, להשתמש בלחצן "העיון" בסעיף "מודל פלט" כדי לעיין ולבחור את הספרייה כדי להציל את מודל פלט ל. ודא שספריית הפלט נבחרה באופן פעיל על מנת שהריצה יהיה פעילה, למרות שיש את ספריית פלט כבר מופיעה בחלון המצורף לזכותו של לחצן זה.
הערה: ערך "מראש פרמטרי המרחק מינימאלי" מופיע (0.209311 באיור 6) חושבה במיוחד עבור "glasscube.inp" קובץ הקלט הניתן בדוגמא זו, ויש להשאיר כמו שהוא. ערך זה עשוי להיות מחושב לפי צורך בשימוש הראשון של קובץ קלט שונה על ידי הזנת ערך של "0" במיקום זה לפני הפעלת המודל. בדוגמא זו, כל ערכי הפרמטרים הם ביחידות יחסי כדי להתאים את הקלט אטומי מערכת קואורדינטות. אם מוכפל 0.716 ערכי הפרמטרים ייצג מרחקי ננומטר. </ Li> - הפעל את הדוגמא באמצעות פרמטרי האביב נתון של r = 1.0, R = 5.0, p = 1.5, ו- D = 0.209311 ידי לחיצה על הכפתור "הפעל" GUI. צפה במשוב מלרוץ בחלון MATLAB הפיקוד (איור 7). במשוב, לבדוק שהפרמטרים האביב אשרו, כי קובץ נתוני קלט נקרא בהצלחה, והתוצאות נשמרות בקובץ הפלט בשם "מודל" מתוארות.
איור 7: משוב חלון MATLAB פיקוד מריצת Nanosprings מבוסס GUI.
הערה: בדוגמא לעיל, "המודל" הקובץ מכיל 5176 אטומים המרכיבים את האביב הרצוי, אחד בכל שורה, בשורה הראשונה נותנת את המספר הכולל של האטומיםבקובץ. כל שורת הגדרת אטום כוללת זיהוי אטום, סוג אטום, וx, y, z קואורדינטות של אטום ש.
- ברגע שממשק GUI הוא סופי, לבצע עוקבים על ידי לחיצה ימנית על "Nanosprings.m" בMATLAB "תיקייה נוכחית" חלון, ובחירה באפשרות "הפעל" כדי להעלות את ממשק GUI ישירות.
הערה: אזכור שונה המפורטות 27-31 לקבלת מידע נוסף על MATLAB מדריך וממשק המדריך הבסיסי.
3. תוצאות האימות NanospringCarver בVisualizer קוד פתוח 19
השלבים הבאים מיועדים לשימוש כללי לדמיין ולאמת את דגמי אביב פלט שנוצרו על ידי NanospringCarver.
- השתמש בNanospringCarver MATLAB GUI כפי שתואר לעיל כדי ליצור קבצים לקלט לתכנית להדמיה 19. בעת הפעלת התכנית להדמיה, להשתמש "coordin הנקודהאכלתי קובץ "אפשרות קלט, להבחין בין סוגי אטום על ידי צבע, ובחר גבול רשת ציר לשדה.
- למדוד מרחקים בדגמי האביב ולהפוך את תיעוד שלהם.
- להשוות את הנתונים שנמדדו נגד ממדי אביב רצויים ומאמת את נכונות מודל האביב.
4. שימוש תוצאות NanospringCarver במתיחת MD סימולציות של Nanosprings
השלבים הבאים מסוכמים עבור משתמש שימוש כללי בדגמי האביב נוצרו על ידי NanospringCarver כקלט לקוד MD קוד פתוח קונבנציונלי 32.
- הורד את הגרסה העדכנית ביותר של הקוד הפתוח תכנית MD LAMMPS. עיין בתיעוד המקוון הרלוונטי למדריכים ודוגמאות.
- לקבוע את הממדים של מודל nanospring הרצוי כדי להכין מודל הזכוכית המתאים הראשוני סיליקה בתפזורת, כפי שדווח לפני 18.
- צור מודל nanospring הרצוי באמצעות NanospringCarver MATLAB GUI (ראה Section 2 לעיל).
- לבצע סימולציות מתיחה על nanospring הרצוי, על ידי מתיחת המודל axially 11,13,23. להפיק וידאו נציג של מודל nanospring להיות מתוח (ראה איור 8, בהמשך, ואנימצית איור 1) להדמיה וניתוח. תוצאות מדעיות לגבי התנהגות לחץ המתח והנוקשות של מספר דגמי nanospring תחת מתח דווחו במקומות אחרים 23.
איור 8: מסך של nanospring סיליקה במהלך הסימולציה מתיחה (ראה גם אנימציה איור 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
המודלים האטומיים nanoribbon נוצרו עם הליך החישוב הראשון (קוד nanoribbons) והממדים הקשורים בם מוצגים באיור 9. דגמי nanospring וכתוצאה מכך באמצעות הליך החישוב השני (nanosprings קוד) וממדים הקשורים מוצגים באיור 10.
איור 9. מודל אטומי של nanoribbon סיליקה עם ממדים רצויים: r (רדיוס nanoribbon) = 1.07 ננומטר, R (רדיוס של סליל) = 5.37 ננומטר, ו- p (המגרש) = 7.16 ננומטר. תמונות ממחישות צפיות מובהקות של ננו-המבנה: (א) מבט מלמעלה, (ב) תצוגה לרוחב, (ג) תצוגה לרוחב עם סיבוב נוסף, ו- (ד) - (ו) צפיות באלכסון. מודל nanoribbon SiO 2 מכיל 3,354 אטומים. סך הכל H גובה סרט הוא 14.1 nm 23.
איור 10. מודל אטומי של nanospring סיליקה עם ממדים שצוינו: r (רדיוס תיל) = 1.07 ננומטר, R (רדיוס של סליל) = 4.29 ננומטר, ו- p (המגרש) = 4.29 ננומטר. תמונות מראות תצוגות שונות של מודל nanospring: (א) מבט מלמעלה, (ב) תצוגה לרוחב, (ג) תצוגה לרוחב עם סיבוב קדימה נוסף, ו- (ד) - (ו) צפיות באלכסון. מודל nanospring SiO 2 מורכב מאטומים 21,246. סך הכל H גובה האביב הוא 14.32 23 ננומטר.
מגוון של ממדי nanoribbon וnanospring שנוצרו עם שני הקודים היה בשפע (r <3.75 ננומטר, R <9 ננומטר, וp <12.57 ננומטר). כל אחת מהשיטות הנ"ל מציעה דרך ייחודית ליצירת nanosprings סיליקה וnanoribbons המתאימה לסימולציות האטומיסטית. שני השיטות הן גמישות ויכולות להיות מותאמות כדי לייצר מבני סליל שונים עצמאיים של החומר, מה שהופך אותם מאוד שימושיים ותכליתיים.
אנימציה איור 1. Nanospring סיליקה במהלך הסימולציה מתיחה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שינוי של הגישה המקורית כדי ליצור מבני nanohelical הובילו לפיתוח של שני קודים שונים כדי לאפשר יצירה של שתי nanoribbons וnanosprings ממודל MD זכוכית סיליקה בתפזורת ראשונית. האימות של המודלים nanoribbon סיליקה וnanospring נרדפה באמצעות חבילות תוכנה שונות 19-20, שאשרו את הדיוק ממדי שלהם בתוך יכולת המדידה של התוכניות. השוואה בין nanosprings וnanoribbons כן, בוצעה על ידי שכיסה את המודלים בצדדים שונים וזוויות, שהביאו לאימות גיאומטריה נוספת. שני השיטות חישוביות שפותחו בפרויקט זה יצר ננו סליל באופן מובהק, עם ערך מוסף בשל יכולת ההרחבה שלהם לשימוש בכל גודל בתפזורת מודל חומר ושימוש פוטנציאלי במבני nanohelical דוגמנות מחומרים אחרים. המודלים התוצאה מוצגים כאן הראו שאין ממצאים לזיהוי (Toms חסר מבנה nanohelical הרצוי) שנוצר בשתי שיטות. בנוסף, השיטות חישוביות שפותחו בעבודה זו הן גמישות ליצירת ננו-מבני סליל ימניים או שמאלי, פשוט על ידי היפוך סדר פונקציות סינוס וקוסינוס הגדרת הסליל. יישומים עתידיים של שיטה זו יכללו את קנה מידה למבני סליל גדולים יותר המאפשרים וריאציה פרמטר מורחבת, וחקירה של שימוש בחומרים ראשוניים שונים.
מגבלות של שיטה זו כוללות הגבלות ממדיות על nanohelices נוצר בהתאם לדגם הראשוני סיליקה בתפזורת משמש, שיכול לכלול את משאבי מחשוב משמעותיים ככל שעולה גודל מודל. כפי שיושם כיום, גובה nanoribbon או nanospring ירחיב לגודל של המודל בתפזורת המקורי. השיטה חישובית הראשונה מייצרת דגמי nanoribbon מדויקים למגוון פרמטרים, כאשר ערך המגרש גדול מ7.16 ננומטר ואת הרדיוס של חוט הסליל גדול מ 10% מהממד הקצר של המבנה "בתפזורת" זכוכית סיליקה. השיטה חישובית השנייה מייצרת דגמי nanospring מדויקים ללא הגבלת פרמטר. הדבר חשוב במיוחד לביצוע סימולציות MD בי יש צורך במודלי nanostructural האטומיסטית זמינים לחקור את תנאים בגדלים שונים.
שלב קריטי בפרוטוקול יהיה לאמת בשימוש הראשון של דגם מסוים ראשוני בתפזורת MD חומר שהמרחק המינימאלי בין שני אטומים הקרובים ביותר במודל נקבע וקלט בצורה נכונה עם הפרמטרים ממדיים. בנוסף, יש להקפיד על מנת להבטיח שביקשו ממדי סליל לא יעלו על ממדי מודל חומר בתפזורת.
התקדמות טכנולוגית אפשרה את היצירה ואפיון של ננו סליל המורכב כגון nanoribbons תחמוצתnanosprings ד במעבדה. יש מבנים ננומטריים אלה מאפיינים ייחודיים הדורשים חקירה יסודית על מנת לממש את מלוא הפוטנציאל שלהם ליישומים שונים. מחקרי MD של ההתנהגות המכנית של מבני סליל אלה דורשים קודים גמישים שיכול בקלות ובדייקנות ליצור ננו סליל, ולאחר מכן לעשות שימוש בפוטנציאלי interatomic מתאימים ושיטות לסימולציות חזויה. כדי למלא את הדרישה ראשונה זה, קודי דוגמנות מבניים מדויקים פותחו אשר ישמש לסימולציות דחיסת MD בקנה מידה גדולה ואימות ניסיוני.
שיטה זו של יצירת זכוכית MD סיליקה (שאינם גבישי) מודלים nanohelical היא משמעותית, כקודים דומים לא זמינים וגישות חלופיות אחרות כבר התמקדו ננו גבישים. מאמץ דוגמנות זה הורחב, עם ננו כתוצאה בשימוש במחקרי הדמית MD, שיש לי lאד לתזה התמקד בתגובה אלסטי של nanohelices זכוכית סיליקה תחת עומסי מתיחה 23. סימולציה בזמן יעיל של ננו היא בעיה מאתגרת, עם זאת טכניקות תכנות חדשות ומודלים אטומיים הן בעיקר הופכים חשובות ללימודים חזוי. טכניקת דוגמנות זה במהירות צוברת ריבית והופכת שיטה יעילה לדגמים הדורשים מחשוב עתיר ביצועים במהירות. מאמצים אקדמיים עתידיים צפויים לכלול את ההתאמה של הקודים הללו להכשרת חוקרים חישובית ובתרגילים בכיתה. ביצוע סימולציות MD ללמוד את התגובה של מבני סליל לתנאי העמסה שונים הוא בהחלט אפשרי עם דגמים האטומיסטית חזקים אלה. ההצלחה של ייצור עתידי באמצעות ננו אלה כאובניים בניין תהיה תלויה בהבנה של המבנה והתכונות שלהם, עם השלכות על תהליכי nanomanipulation והרכבה עצמית. שלי עבודה זהצעד sa לקראת הבנת ההתנהגות המכנית של ננו כאלה תוך שימוש בסימולציות MD בקנה מידה גדולה, שיכול להיות שעשוי להיות שימושי לעיצוב nanodevices למספר גדול של יישומים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
המחברים מבקשים להודות לטים חזרה Back באוניברסיטה קליפורניה במרסד לעזרתו בפרויקט זה. NSF-מטבעות התכנית בUCM נתמכת (קא"מ) בחלקה הראשונה של עבודה זו. פרס NSF-BRIGE נתמך מחברים (BND וקא"מ), מתן כספים עבור עבודה זו והוצאות נסיעה לכנסים.
קבוצת המחקר מבקשת להודות בראש ובראשונה הקרן הלאומי למדע למימון עבודה זו באמצעות הפרס BRIGE. חומר זה מבוסס על נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא 1032653 עבודה.
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).
