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Engineering

Nanohelices escalables para estudios predictivos y mejorada visualización 3D

Published: November 12, 2014 doi: 10.3791/51372
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced, 2Computer Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced

Summary

El modelado preciso de las estructuras nanohelical es importante para los estudios de simulación predictiva que conducen a nuevas aplicaciones de la nanotecnología. Actualmente, los paquetes de software y los códigos están limitadas en la creación de modelos helicoidales atomistas. Se presentan dos procedimientos diseñados para crear modelos nanohelical atomistas para las simulaciones, y una interfaz gráfica para mejorar la investigación a través de la visualización.

Abstract

Materiales elásticos como son omnipresentes en la naturaleza y de interés en la nanotecnología para la captación de energía, almacenamiento de hidrógeno, y aplicaciones de detección biológicos. Para las simulaciones de predicción, se ha convertido cada vez más importante para ser capaz de modelar la estructura de nanohelices precisión. Para estudiar el efecto de la estructura local de las propiedades de estas geometrías complejas hay que desarrollar modelos realistas. Hasta la fecha, los paquetes de software son bastante limitadas en la creación de modelos helicoidales atomistas. Este trabajo se centra en la producción de modelos atomistas de vidrio de sílice (SiO2) nanocintas y nanosprings de dinámica molecular (MD) simulaciones. El uso de un modelo de MD de "mayor" de vidrio de sílice, dos procedimientos de cálculo para crear precisamente la forma de nanocintas y nanosprings se presentan. El primer método emplea el lenguaje de programación de código abierto y el software AWK para tallar eficazmente varias formas de nanocintas sílice de la imodelo de mayor nitial, utilizando dimensiones deseadas y ecuaciones paramétricas para definir una hélice. Con este método, precisos nanocintas sílice atomizados pueden ser generados para un rango de valores de tono y dimensiones. El segundo método consiste en un código más robusto que permite flexibilidad en las estructuras de modelado nanohelical. Este enfoque utiliza un código de C ++ especialmente escrito para implementar los métodos de pre-selección, así como las ecuaciones matemáticas para una hélice, lo que resulta en una mayor precisión y eficiencia al crear modelos nanospring. El uso de estos códigos, bien definidos y nanocintas escalables y nanosprings adecuados para simulaciones atomista se pueden crear de manera efectiva. Un valor añadido en ambos códigos de fuente abierta es que pueden ser adaptados para reproducir diferentes estructuras helicoidales, independientes de material. Además, una interfaz gráfica de usuario de MATLAB (GUI) se utiliza para mejorar el aprendizaje a través de la visualización y la interacción de un usuario general con el heli atomistaestructuras cal. Una aplicación de estos métodos es el reciente estudio de nanohelices través MD simulaciones con fines de aprovechamiento de la energía mecánica.

Introduction

Nanoestructuras helicoidales se producen típicamente en el laboratorio usando técnicas de deposición química de vapor de 1-2, mientras que los nuevos enfoques han sido reportados en la literatura 3. En particular nanosprings y nanocintas han sido estudiadas debido a sus distintas propiedades y aplicaciones prometedoras en sensores, óptica y dispositivos electromecánicos y de fluidos 4-7. Métodos de síntesis se han reportado para producir sílice (SiO 2) nanocintas, haciendo que estas estructuras de unidades de bloques de construcción potenciales para los sistemas jerárquicos. Síntesis Novela de nanosprings sílice 3D ha ampliado sus aplicaciones a chemiresistors cuando están cubiertas con ZnO 8 o nanopartículas para aplicaciones de diagnóstico 9-10.

Los estudios experimentales sobre las propiedades mecánicas de nanosprings sílice y nanocintas son escasos, principalmente debido a las limitaciones actuales de manipulación de pruebas y métodos y equipment. Las investigaciones sobre los nanomecánica de nanoestructuras y nanosprings han reportado el uso de la teoría y simulaciones 11-14. Algunas simulaciones 13 han centrado en el comportamiento de nanomecánica nanosprings amorfos, ya que pueden explorar los regímenes no totalmente accesibles a través de la experimentación. Estudios atomísticos de nanosprings metálicos han sido reportados en la literatura para investigar la dependencia del tamaño de las propiedades elásticas 15, y más recientemente los nanomecánica de nanoestructuras de sílice cristalina helicoidal 14. Pruebas experimentales de estructuras nanospring también ha sido realizado en diferentes materiales tales como nanoestructuras de carbono y helicoidales nanocoils carbono 16-17. A pesar del conocimiento reunido hasta ahora, se necesita una comprensión más completa de las propiedades mecánicas de estos nuevos nanoestructuras para futuros esfuerzos de fabricación nanodispositivo.

Como los estudios de MD g de sílicelass (sílice no cristalina) nanohelices son todavía algo limitadas, el modelado atomista de tales estructuras requiere la creación de códigos personalizados. No hay otros métodos alternativos de creación de modelos MD helicoidales de vidrio de sílice se han identificado hasta el momento en la literatura reciente búsqueda. En este trabajo, se persigue un enfoque de abajo hacia arriba para el modelado atomista de nanoestructuras de cristal de sílice helicoidales incluyendo nanosprings y nanocintas para futuras simulaciones MD nanomecánicos a gran escala. El enfoque general consiste en la creación de un modelo de vidrio MD "a granel" de sílice como se informó anteriormente 18, y forjar diversas nanoestructuras helicoidales de esta muestra "mayor" a través de dos códigos informáticos robustos y adaptables desarrollados para este fin. Ambos procedimientos computacionales ofrecen una manera distinta para crear modelos nanocinta y nanospring con gran eficiencia y detalle atomista; estas estructuras son adecuados para simulaciones atomísticos a gran escala.Además, una interfaz gráfica de usuario personalizado se utiliza para facilitar la creación y visualización de las estructuras helicoidales.

La estructura del modelo de vidrio de sílice "a granel" se crea inicialmente a temperatura ambiente. Simulaciones MD de gran escala se llevan a cabo para este propósito utilizando la Garofalini interatómica potencial similar a estudios previos 18, que es relativamente eficiente computacionalmente y apropiado para sistemas grandes. La estructura de "mayor" de vidrio de sílice inicial consiste en un modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), que contiene 192.000 átomos. El modelo de vidrio de sílice "a granel" se equilibró a 300 K durante 0,5 nseg para obtener el estado inicial usando condiciones de contorno periódicas.

Dos procedimientos computacionales están diseñados y utilizados para crear modelos nanocinta sílice y nanospring atomistas. El primer método consiste en forjar nanocintas sílice dela estructura "a granel", utilizando las ecuaciones paramétricas que definen una hélice, y su geometría (tono, el radio de la hélice, y el radio del alambre). Este procedimiento incluye el uso de la lengua de programación AWK, el sistema operativo Linux, y software de visualización de código abierto 19. El procedimiento iterativo en general para crear modelos atomizados de nanocintas implica: (1) la selección de un átomo en el modelo de vidrio de sílice "a granel", (2) el cálculo de la distancia desde el átomo seleccionado a un punto en el espacio en una función helicoidal pre-definido, (3) comparar esta distancia con el radio de la nanocinta deseada, y (4) descartar o mantener el átomo en un modelo de datos de salida. Una descripción detallada paso a paso de este método está incluido en los Códigos Escalable Open-Source material suplementario. Con este método, varios nanocintas de sílice fueron creados usando diferente paso, el radio de los valores de la hélice y el radio nanocinta, que se valora posteriormentede precisión en contra de los valores dimensionales deseadas con el análisis molecular y software de visualización 19-20. Modelos atomista de la nanocintas sílice se generaron con geometrías funcionales (altos valores de tono y bajos valores de radio nanocinta). Algunos artefactos, que consiste en átomos excluidos en el error, lo que lleva a una superficie nanocinta menos suave, se observaron a valores de radio nanocinta excesivamente altos y valores de tono extremadamente bajas. Métodos similares se han utilizado en el proceso de creación de nanocables de sílice 21-23.

El segundo método que aquí se presenta incluye forjar nanosprings sílice de la estructura de sílice "a granel", mediante la implementación de métodos de pre-selección para aumentar la eficiencia, además de las ecuaciones matemáticas de una hélice. Este procedimiento requiere la creación de un código más robusto C ++ para permitir una mayor flexibilidad en el modelado de estas nanoestructuras helicoidales. El método iterativo para crear Atomismodelos de tics de nanosprings incluye: (1) descartando todos los átomos garantizados a caer fuera de la trayectoria helicoidal, (2) seleccionar determinista un punto de la trayectoria helicoidal, (3) la comparación de todos los átomos dentro de una distancia específica a este punto seleccionado, y (4 ) descartar o almacenar cada átomo en un modelo de datos de salida. Una descripción paso a paso de este método también está incluido en los Códigos de Open-Source escalables material suplementario. Con este método, varios modelos nanospring sílice se obtuvieron con dimensiones variadas (radio, cable de radio de la hélice, y echada de nanospring) como muestran en la Figura 1. Se obtuvieron modelos de nanospring de sílice de alta precisión de manera eficiente con este método, sin evidencia de artefactos encontrados en extrema valores (bajo y alto) de paso para la nanospring. La creación y el uso de la interfaz gráfica de usuario para este método se describe en la sección de Protocolo.


Figura 1:. Una estructura helicoidal general que muestra las dimensiones características, donde R, R y p representan la radio del alambre, el radio de la hélice, y el paso, respectivamente, H indica la altura total de la estructura helicoidal 23.

Este protocolo se describe cómo preparar los archivos NanospringCarver, corriendo MATLAB 24 en un PC Linux de 25 años, y el uso de una interfaz gráfica de usuario para preparar modelos nanospring atomistas. Estos modelos anteriormente no disponibles sirven como base para nuevos dinámica molecular (MD) simulaciones 23 hacia la investigación de materiales de innovación.

El procedimiento general paso a paso para crear modelos nanospring atomistas implica el uso de los siguientes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (abierto-agriace en lenguaje C ++), (b) modelo de vidrio de sílice a granel (archivo de entrada), (c) interfaz de MATLAB GUI y archivos relacionados, y (d) el software MATLAB (versión 7) usando una licencia local en un PC Linux. Los productos que (a) - (c) anterior (código NanospringCarver, modelo de vidrio de sílice, archivos de MATLAB GUI) son de descarga gratuita en línea 26. MATLAB (Matrix Laboratory) es un lenguaje de alto nivel para el cálculo numérico, visualización y desarrollo de aplicaciones de MathWorks 24, que se utiliza principalmente para la visualización y análisis de datos, procesamiento de imágenes, y la biología computacional.

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Protocol

1. Preparación NanospringCarver archivos e inicio de MATLAB en un PC LINUX

Los siguientes pasos están diseñados para un usuario general para hacer uso de los archivos proporcionados en línea 26.

  1. Descomprimir el archivo archivo nanosprings.tar.gz en el "Inicio" o otro directorio preferido.
    1. Descargue el archivo de ficheros del repositorio nanosprings.tar.gz 26 web.
    2. Busque el archivo descargado y moverlo a un directorio de trabajo preferido titulado "Documentos / Nanosprings".
    3. Haga clic derecho y seleccione nanosprings.tar.gz "extraer aquí" en el menú contextual del botón derecho.
  2. Compruebe que todos los archivos necesarios están presentes en el directorio actual. Una lista de los archivos y su propósito sigue:
    Makefile - gestionado manualmente archivos de compilación para nanosprings.cpp y Point.cpp
    Nanospinternos rings.fig -MATLAB GUI
    Código Nanosprings.m -MATLAB GUI
    Point.cpp - Punto (átomo) definición de la clase
    Point.h - Punto (átomo) cabecea clase
    tallar - nanosprings independientes ejecutable
    example.par - archivo de parámetros de ejemplo
    glasscube.inp - archivo de datos glasscube
    nanosprings.cpp - código nanosprings principal
    nanosprings_diagram.jpg - nanospring ejemplo para la visualización
    nanosprings.cpp integrada MATLAB - nanospringsmex.cpp
    nanospringsmex.mexglx - nanosprings-MATLAB integrado ejecutable
    Nota: El usuario tendrá que crear el archivo ejecutable "nanospringsmex.mexglx" para la máquina Linux particular que está siendo utilizado (versión de 32 bits en este ejemplo). Si esto aún no se ha hecho, verificar el acceso al compilador "mex" MATLABescribiendo en la línea de comando "que mex" y la verificación de la existencia del programa. También verificar el acceso al programa de MATLAB escribiendo en la línea de comandos ", que matlab". Mediante una línea de comandos para escribir "nanospringsmex.cpp mex Point.cpp" creará el archivo "nanospringsmex.mexglx" ejecutable integrado MATLAB NanospringCarver, como se muestra en las siguientes instrucciones. Aunque no es necesario para la interfaz gráfica de usuario, si se desea una versión independiente del programa NanospringCarver se pueden crear escribiendo "hacer" en una línea de comandos. Esto compilará el nanosprings.cpp y elementos del programa Point.cpp juntos para crear el "tallar" archivo ejecutable. En este tutorial, el "glasscube.inp" archivo contiene la información de posición para 192.000 silicio y átomos de oxígeno representin ga modelo de vidrio de sílice, con cada línea que contiene un átomo de ID, el tipo de átomo, y x, y, z las coordenadas para el átomo. La primera línea del archivo es el recuento átomo total (192.000). Las coordenadas atómicas en este archivo son valores relativos, que si se multiplican por 0,716 representaría distancias nanométricas.
  3. En el escritorio, abra una ventana de terminal. En muchas versiones de Linux lograr esto pulsando simultáneamente la tecla "Ctrl", las claves "T" "Alt" y.
  4. Cambie el directorio a la carpeta en la que los archivos de proyecto nanosprings se extrajeron escribiendo:
    Documentos cd / Nanosprings /
  5. A continuación, ejecute el comando para compilar el binario para el sistema escribiendo:
    mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. Siguiente iniciar MATLAB Matlab tecleando en la línea de comandos

2. Modificar y utilizar una interfaz gráfica de usuario (GUI) para el Programa de NanospringCarver

ove_content "> Siga los pasos siguientes utilizando los archivos proporcionados en línea 26.

  1. Abra la guía en MATLAB haciendo clic en el icono de guía, en la parte superior área de la barra de herramientas izquierda (Figura 2), para mostrar una nueva ventana con la Guía de inicio rápido (Figura 3).

Figura 2
Figura 2: Interfaz de usuario de MATLAB que muestra cómo abrir MATLAB GUÍA.

Figura 3
Figura 3: Interfaz GUÍA MATLAB inicialización.

  1. Utilice la ficha "Abrir GUI existente" (Figura 4) para modificar una figura existente. Haga clic en el botón "Examinar" para buscar la interfaz gráfica de usuario existentecifra que se desea modificar. Después de seleccionar el archivo gráfico (Nanosprings.fig, véase el recuadro azul), haga clic en "Abrir" en ambas ventanas para mostrar una nueva ventana con la figura de interfaz gráfica de usuario. Localice los botones disponibles para ser utilizados para la creación de interfaz gráfica de usuario en el panel izquierdo (Figura 5).

Figura 4
Figura 4: Interfaz GUÍA MATLAB que muestra cómo abrir un archivo gráfico GUI existente.

Figura 5
Figura 5: Interfaz GUÍA MATLAB mostrando herramientas para la modificación de una figura de interfaz gráfica de usuario existente.

  1. Con el fin de ejecutar la interfaz gráfica de usuario, haga clic en "Ejecutar" en el marco del "Menú Herramientas ". A continuación, haga clic en "Sí" cuando una ventana emergente le solicita si desea guardar la figura antes de ejecutar. Una nueva ventana muestra la interfaz gráfica de usuario modificado.
  2. Si es necesario, crear otra interfaz gráfica de usuario para un material específico diferente utilizando esta interfaz gráfica de usuario como un ejemplo.
  3. Para configurar el ejemplo de ejecución, primero haga clic en el botón "Seleccionar archivo de modelo de entrada" en la parte superior de la interfaz gráfica de usuario y navegue hasta el archivo "glasscube.inp". Seleccione este archivo y haga clic en "Abrir" para cerrar la ventana de navegación. El archivo de entrada seleccionada y la ruta que deberían aparecer ahora en la ventana de interfaz gráfica de usuario a la derecha del botón de "archivo de modelo de entrada seleccionados" (Figura 6).

Figura 6
Figura 6: Captura de pantalla de usar interfaz gráfica de usuario para crear un ejemplo modelo nanospring sílice.

  1. A continuación, utilice el botón "Examinar" en la sección "Modelo de salida" para buscar y seleccionar el directorio para guardar el modelo de salida en. Asegúrese de que el directorio de salida se selecciona de forma activa para que el plazo esté habilitado, a pesar de que es un directorio de salida ya que aparece en la ventana que acompaña a la derecha de este botón.
    Nota: El valor "Avance Parámetros Distancia mínima" que aparece (0.209311 en la Figura 6) fue calculado específicamente para el "glasscube.inp" archivo de entrada prevista en este ejemplo, y se debe dejar como está. Este valor puede ser calculado como necesario en el primer uso de un archivo de entrada diferente mediante la introducción de un valor de "0" en esta ubicación antes de ejecutar el modelo. En este ejemplo, todos los valores de los parámetros están en unidades relativas para que coincida con la entrada atómica sistema de coordenadas. Si multiplicado por 0,716 los valores de los parámetros representarían distancias nanómetros. </ Li>
  2. Ejecutar el ejemplo utilizando los parámetros de resorte dado de r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5, y d = 0,209311 pulsando el botón de la GUI "Run". Ver los comentarios de la carrera en la ventana de comandos de MATLAB (Figura 7). En las votaciones, comprobar que se confirman los parámetros de la primavera, de que el archivo de datos de entrada se lee con éxito, y los resultados almacenados en el archivo de salida llamado "modelo" se describen.

Figura 7
Figura 7: Comando MATLAB ventana de retroalimentación del plazo Nanosprings basada en GUI.

Nota: En el ejemplo anterior, el "modelo" archivo contiene 5.176 átomos que comprenden la primavera se desea, uno por línea, con la primera línea que indica el número total de átomosen el archivo. Cada línea que define un átomo incluye el ID de átomo, el tipo de átomo, y x, y, z las coordenadas de ese átomo.

  1. Una vez que la interfaz gráfica de usuario está finalizado, realizar carreras sucesivas haciendo clic derecho en la ventana "Nanosprings.m" en el MATLAB "carpeta actual", y seleccione "Ejecutar" para que aparezca la interfaz gráfica de usuario directamente.
    Nota: Varias referencias se enumeran 27-31 para obtener información adicional sobre MATLAB GUIDE y la interfaz básica GUÍA.

3. Verificación NanospringCarver resultados en un visualizador de código abierto 19

Los siguientes pasos están diseñados para un usuario general para visualizar y verificar los modelos de primavera de salida creados por NanospringCarver.

  1. Utilice la GUI MATLAB NanospringCarver como se describió anteriormente para generar archivos para la entrada en el programa de visualización 19. Cuando se ejecuta el programa de visualización, utilice el "punto de coordicomieron archivo "opción de entrada, distinguir tipos de átomos por el color, y seleccione una frontera cuadrícula de los ejes para el campo.
  2. Medir distancias en los modelos de primavera y hacer un registro de ellos.
  3. Comparar datos medidos contra las dimensiones deseadas de la primavera y la primavera de verificar la exactitud del modelo.

4. Utilizando NanospringCarver Resultados en tensión MD simulaciones de Nanosprings

Los siguientes pasos se resumen para un usuario general para utilizar los modelos de primavera creado por NanospringCarver como entrada a un código MD-fuente abierta convencional 32.

  1. Descargue la versión más reciente del programa de código abierto MD LAMMPS. Consulte la documentación en línea asociada para los manuales y ejemplos.
  2. Determinar las dimensiones del modelo nanospring deseada con el fin de preparar el modelo inicial apropiada vidrio de sílice a granel, como se informó antes de los 18.
  3. Crear el modelo nanospring deseado utilizando el MATLAB GUI NanospringCarver (ver Sección 2 arriba).
  4. Realizar simulaciones de tracción en el nanospring deseada, estirando el modelo axial 11,13,23. Producir un video representativo de modelo nanospring siendo estirado (vea la Figura 8, a continuación, y animada Figura 1) para la visualización y análisis. Los resultados científicos sobre el comportamiento tensión-deformación y rigidez de varios modelos nanospring bajo tensión han sido reportados en otros lugares 23.

Figura 8
Figura 8: Captura de pantalla de un nanospring sílice durante la simulación a la tracción (véase también Animados Figura 1).

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Representative Results

Los modelos nanocinta atomísticos creados con el primer procedimiento computacional (código nanocintas) y sus dimensiones asociadas se muestran en la Figura 9. Los modelos resultantes nanospring utilizando el segundo procedimiento de cálculo (código nanosprings) y las dimensiones asociadas se muestran en la Figura 10.

Figura 9
Figura 9. modelo atomista de la sílice con un nanocinta dimensiones deseadas: r (radio nanocinta) = 1,07 nm, R (radio de la hélice) = 5,37 nm, y p (pitch) = 7,16 nm. Las instantáneas ilustran distintos puntos de vista de la nanoestructura: (a) vista superior, (b) vista lateral, (c) vista lateral con rotación adicional, y (d) - (f) vistas diagonales. El modelo nanocinta SiO2 contiene 3354 átomos. La altura total de la cinta es H 14.1 nm 23.

Figura 10
Figura 10. Modelo atomística de un nanospring sílice con dimensiones específicas: r (radio del alambre) = 1,07 nm, R (radio de la hélice) = 4,29 nm, y p (pitch) = 4,29 nm. Las instantáneas muestran diferentes vistas del modelo nanospring: (a) vista superior, (b) vista lateral, (c) vista lateral con rotación hacia adelante adicional, y (d) - (f) vistas diagonales. El modelo nanospring SiO2 consta de 21.246 átomos. La altura total de la primavera de H es 14.32 nm 23.

La gama de dimensiones y nanocinta nanospring generados con ambos códigos era amplia (r <3,75 nm, R <9 nm, y p <12,57 nm). Cada uno de los métodos anteriores ofrece una manera única de crear nanosprings sílice y nanocintas adecuados parasimulaciones atomista. Ambos métodos son flexibles y se pueden adaptar para producir diferentes estructuras helicoidales independientes del material, lo que los hace altamente útil y versátil.

Figura 1 animada . nanospring de sílice durante la simulación a la tracción.

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Discussion

Modificación del enfoque original para crear estructuras nanohelical llevado al desarrollo de dos códigos distintos para permitir la creación de ambos nanocintas y nanosprings de un modelo inicial MD vidrio de sílice a granel. Fue perseguido La verificación de los modelos nanocinta sílice y nanospring utilizando diferentes paquetes de software de 19 a 20, que confirmó su precisión dimensional dentro de la capacidad de medición de los programas. Comparación entre nanosprings y nanocintas también se llevó a cabo mediante la superposición de los modelos de diferentes lados y ángulos, lo que resultó en la verificación de la geometría adicional. Ambos métodos computacionales desarrollados en este proyecto creado nanoestructuras helicoidales de una manera distinta, con un valor añadido debido a su escalabilidad para su uso con cualquier tamaño modelo de material a granel y el uso potencial en estructuras nanohelical modelado de otros materiales. Los modelos resultantes se presentan aquí muestran que no hay artefactos detectables (unToms falta de la estructura deseada nanohelical) generado utilizando cualquiera de los métodos. Además, los métodos computacionales desarrollados en este trabajo son flexibles para la creación de nanoestructuras helicoidales diestros o zurdos, simplemente invirtiendo el orden de las funciones seno y coseno que definen la hélice. Las futuras aplicaciones de este método incluyen la escala de las estructuras helicoidales más grandes que permiten la variación de parámetros extendidos, y la exploración de su uso con diferentes materiales iniciales.

Las limitaciones de este método incluyen restricciones dimensionales en las nanohelices creados según el modelo de sílice mayor inicial utilizado, lo que puede implicar importantes recursos informáticos como el tamaño de modelo aumenta. Tal como se aplica actualmente, la nanocinta o nanospring altura se extenderá al tamaño del modelo original de mayor. El primer método de cálculo genera modelos nanocinta precisos para una gama de parámetros cuando el valor de tono es mayor que7,16 nm y el radio del alambre helicoidal es mayor que el 10% de la dimensión más corta de la estructura de vidrio de sílice "a granel". El segundo método de cálculo genera modelos nanospring precisos sin limitación parámetro. Esto es particularmente importante para la realización de simulaciones MD donde se necesitan modelos nanoestructurales atomísticos fácilmente disponibles para investigar diferentes condiciones de tamaño.

Un paso crítico en el protocolo sería verificar el primer uso de un modelo determinado material inicial MD mayor que la distancia mínima entre los dos átomos más cercanos en el modelo se ha determinado y de entrada correctamente con los parámetros dimensionales. Además, se debe tener cuidado para asegurar que solicitó dimensiones helicoidales no excedan de los graneleros cotas del modelo material.

Los avances tecnológicos han facilitado la creación y caracterización de nanoestructuras helicoidales complejos como nanocintas óxido de unnanosprings d en el laboratorio. Estas estructuras a nanoescala tienen propiedades únicas que requieren investigación a fondo con el fin de desarrollar todo su potencial para diversas aplicaciones. MD estudios del comportamiento mecánico de estas estructuras helicoidales requieren códigos flexibles que pueden crear fácilmente y con precisión nanoestructuras helicoidales, y posteriormente hacer uso de los potenciales y los métodos interatómicas apropiadas para las simulaciones de predicción. Para cumplir este primer requisito, se han desarrollado códigos de modelado estructural precisas que se utiliza para a gran escala simulaciones MD de compresión y la validación experimental.

Este método de creación de vidrio de sílice MD (no cristalino) modelos nanohelical es significativa, como códigos similares no están fácilmente disponibles y otros enfoques alternativos se han centrado en nanoestructuras cristalinas. Este esfuerzo de modelado se ha ampliado, con las nanoestructuras resultantes se utilizan en estudios de simulación MD, que tienen led a una tesis se centró en la respuesta elástica de nanohelices vidrio de sílice bajo cargas de tracción 23. Simulación en tiempo eficiente de nanoestructuras es un problema difícil, sin embargo, nuevas técnicas de programación y modelos atomizados están convirtiendo especialmente importante para los estudios de predicción. Esta técnica de modelado está ganando rápidamente interés y convirtiendo rápidamente en un método eficiente para los modelos que requieren computación de alto rendimiento. Los esfuerzos académicos futuros incluirán probablemente la adaptación de estos códigos para la formación de investigadores de cómputo y en los ejercicios de clase. Realización de simulaciones MD para estudiar la respuesta de las estructuras helicoidales a diferentes condiciones de carga es ciertamente factible con estos modelos atomizados robustos. El éxito de la futura fabricación utilizando estas nanoestructuras como bloques de construcción dependerá de la comprensión de su estructura y propiedades, con implicaciones en los procesos de nanomanipulación y de autoensamblaje. Este trabajo isa paso hacia la comprensión del comportamiento mecánico de dichas nanoestructuras utilizando simulaciones MD de gran escala, que pueden ser potencialmente útil para el diseño de nanodispositivos para un gran número de aplicaciones.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

Los autores quieren dar las gracias a Tim Allis en UC Merced por su ayuda en este proyecto. El programa de la NSF-monedas en la UCM soportado (KAM) en una primera parte de este trabajo. Un premio NSF-BRIGE apoyó coautores (BND y KAM), la provisión de fondos para este trabajo y los gastos de viaje a las conferencias.

El grupo de investigación desea agradecer principalmente la Fundación Nacional de la Ciencia para la financiación de este trabajo a través de un premio BRIGE. Este material está basado en trabajo apoyado por la National Science Foundation con la subvención No. 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]

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Física Número 93 modelos atomizados helicoidales; codificación de código abierto; interfaz gráfica de usuario; software de visualización; simulaciones de dinámica molecular; unidad de procesamiento gráfico acelerado simulaciones.
Nanohelices escalables para estudios predictivos y mejorada visualización 3D
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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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