Summary
nanohelical 구조의 정확한 모델링은 새로운 나노 기술의 응용으로 이어지는 예측 시뮬레이션 연구에 중요하다. 현재 소프트웨어 패키지와 코드는 원자의 나선형 모델을 만드는 데 제한됩니다. 우리는 시뮬레이션 원자의 nanohelical 모델을 만들 수 있도록 설계 두 가지 절차를 제시하고, 그래픽 인터페이스는 시각화를 통해 연구를 강화하기 위해.
Abstract
봄 같은 재료는 자연과 에너지 수확, 수소 저장, 생물 감지 애플리케이션을위한 나노 기술에 대한 관심이 유비쿼터스입니다. 예측 시뮬레이션을 위해, 정확하게 nanohelices의 구조를 모델링 할 수 있도록 점점 더 중요 해지고있다. 하나는 현실적인 모델을 개발해야 이러한 복잡한 형상의 속성에 지역 구조의 효과를 연구합니다. 지금까지 소프트웨어 패키지는 오히려 원자의 나선형 모델을 만드는 데 제한됩니다. 이 작품은 분자 역학 (MD) 시뮬레이션 원자의 실리카 유리의 모델 (그런가 2) 나노 리본 및 나노 스프링을 생산에 초점을 맞추고있다. "벌크"석영 유리, 두 계산 절차 MD 모델을 사용하여 정확하게 나노 리본 및 나노 스프링의 형상을 만드는 것이 제시된다. 첫 번째 방법은 효과적으로 전에서 실리카 나노 리본의 다양한 모양을 개척 할 수있는 AWK 프로그래밍 언어와 오픈 소스 소프트웨어를 사용헬릭스를 정의하는 치수 및 원하는 매개 방정식을 사용 nitial 벌크 모델. 이 방법으로, 정확한 원자의 실리카 나노 리본은 피치 값과 치수의 범위에 대해 생성 될 수있다. 두 번째 방법은 모델링 nanohelical 구조에 유연성을 더 강력한 코드를 포함한다. 이 접근법은 특히 나노 스프링 모델을 생성 할 때보다 정밀도와 효율이 사전 스크리닝 방법뿐만 아니라 나선 대한 수학 방정식을 구축하기 위해 작성한 C ++ 코드를 이용한다. 이러한 코드를 사용하여, 잘 정의 및 원자 적 시뮬레이션에 적합한 확장 나노 리본 및 나노 스프링이 효과적으로 생성 될 수있다. 모두 오픈 소스 코드에서의 부가 가치들은 재료의 독립적 인 다른 나선 구조를 재생하도록 구성 될 수 있다는 것이다. 또한, MATLAB 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 원자 적 헬리와 일반 사용자의 시각화 및 상호 작용을 통해 학습을 향상 시키는데 사용되는CAL 구조. 다음 방법 중 하나를 응용 프로그램이 기계적 에너지 수확을 위해 MD 시뮬레이션을 통해 nanohelices의 최근 연구이다.
Introduction
새로운 접근법은 문헌 3에보고되었지만 헬리컬 나노 구조물은 일반적으로 화학 기상 증착 기술 1-2하여 실험실에서 제조된다. 특히 나노 스프링 및 나노 리본 때문에 자신의 고유 한 특성과 센서, 광학, 기계 및 전기 및 유체 장치 4-7에서 유망한 응용 프로그램으로 연구되어왔다. 합성 방법은 계층 적 시스템에 대한 이러한 구조 잠재적 인 빌딩 블록 단위 만들기, 실리카 (SiO2로) 나노 리본을 생성하는 것으로보고되었다. 진단 응용 프로그램에 9-10에 대한 ZnO의 8 또는 나노 입자로 코팅 할 때 3D 실리카 나노 스프링의 소설 합성 화학 저항기에 응용 프로그램을 확장했다.
실리카 나노 스프링 및 나노 리본의 기계적 특성에 대한 실험적 연구는 주로 조작 및 시험 방법 및 산업 장비에서의 전류 제한으로 부족NT. 나노 구조 및 나노 스프링의 나노 기계에 대한 조사는 이론과 시뮬레이션 11-14을 사용하여보고 된 바있다. 그들이 실험을 통해 완전히 빠지지 정권을 탐험 할 수 있기 때문에 일부 시뮬레이션 (13)는 비정질 나노 스프링의 나노 기계 행동에 초점을 맞추고있다. 금속 나노 스프링의 원자의 연구는 탄성 특성 (15)의 크기의 의존성을 조사하기 위해 문헌에보고되었으며, 최근 헬리컬 결정질 실리카 나노 구조의 나노 기계 (14). 나노 스프링 구조체의 실험 테스트는 또한 나선형 카본 나노 구조물과 같은 다른 재료로 수행 된 카본 나노 코일 16-17. 지식에도 불구하고 지금까지 모여, 이들 신규 한 나노 구조물의 기계적 특성의보다 완전한 이해는 향후 나노 소자 제조에 노력이 필요하다.
MD 연구 실리카 (G)의로아가씨 (비 결정 성 실리카) nanohelices은 아직 매우 이러한 구조의 원자의 모델링은 사용자 정의 코드의 작성을 필요로 제한됩니다. 석영 유리 헬리컬 MD 모델을 생성하는 다른 대안적인 방법이 최근의 문헌 조사에 지금까지 발견되지 않았다. 본 연구에서는 나노 스프링 및 나노 리본을 포함하여 나선형 실리카 유리 나노 구조의 원자의 모델링에 대한 상향식 (bottom-up) 접근 방식은 향후 대규모 MD의 나노 기계 시뮬레이션을 위해 추진된다. 이전 18를보고하고, 이러한 목적을 위해 개발이 강력하고 융통성 컴퓨터 코드 통해이 "벌크"샘플로부터 다양한 헬리컬 나노 구조물을 조각으로 일반적인 접근법은 MD "벌크"석영 유리 모델의 생성을 포함한다. 모두 계산 절차는 큰 효율성과 원자의 세부 나노 리본 및 나노 스프링 모델을 만들 수있는 독특한 방법을 제공합니다; 이러한 구조는 대규모 원자의 시뮬레이션에 적합하다.또한, 사용자 정의 된 그래픽 사용자 인터페이스는 나선형 구조의 생성 및 시각화를 용이하게하기 위해 사용된다.
"벌크"석영 유리 모델의 구조는 처음에 실온에서 생성된다. 대규모 MD 시뮬레이션은 Garofalini을 사용하여 이러한 목적을 위해 수행된다 자간 계산적 및 대규모 시스템에 적합한 비교적 효율적 선행 연구 18, 유사한 전위. 초기 "대량"실리카 유리 구조는 192,000 원자를 포함하는 입방체 모델 (3 14.3 X 14.3 X 14.3 ㎚)로 구성되어 있습니다. "벌크"석영 유리 모델은주기적인 경계 조건을 이용하여 초기 상태를 얻기 위해 0.5 나노초 300 K에서 평형화된다.
두 계산 절차는 설계와 원자의 실리카 나노 리본 및 나노 스프링 모델을 만들 사용된다. 첫 번째 방법은 실리카 나노 리본을 조각 포함나선을 정의 파라 메트릭 방정식을 사용하여 "대량"구조, 그 구조 (피치, 나선의 반경, 와이어 반경). 이 절차 AWK 프로그래밍 언어, LINUX 운영 체제 및 오픈 소스 시각화 소프트웨어 (19)을 사용하는 단계를 포함한다. 나노 리본의 원자 적 모델을 생성하기위한 일반적인 반복 절차를 포함한다 : (1) (2) 미리 정의 된 나선 함수 공간에 포인트로 선택한 원자로부터의 거리를 계산, "벌크"석영 유리 모델 원자를 선택 (3) 원하는 나노 리본의 반경이 거리를 비교하고, (4)를 버리거나 출력 데이터 모델 원자 유지. 이 방법에 대한 자세한 단계별 설명은 확장 가능한 오픈 소스 코드 보충 자료에 포함되어 있습니다. 이 방법으로 여러 실리카 나노 리본이어서 측정 하였다 상이한 피치, 나선 및 나노 리본 반경 값의 반경을 사용하여 만든분자 분석 및 시각화 소프트웨어를 19 ~ 20으로 원하는 치수 값에 대한 정확성에 대해. 실리카 나노 리본의 원자의 모델은 기능적인 형상 (피치의 높은 가치와 나노 리본 반경의 낮은 값)을 생성했다. 일부 유물, 오류에서 제외 원자로 구성된 덜 부드러운 나노 리본 표면에 선도가 대단히 높은 나노 리본 반경 값과 매우 낮은 피치 값에서 관찰되었다. 비슷한 방법이 실리카 나노 와이어 21-23을 만드는 과정에서 사용되어왔다.
여기에 제시된 두 번째 방법은 나선 위해 수학 공식에 더하여 효율을 높이는 사전 스크리닝 방법을 구현하여 "벌크"실리카 구조의 실리카 나노 스프링을 포함하는 조각. 이 절차는이 나선형 나노 구조를 모델링에 더 큰 유연성을 허용하는보다 강력한 C ++ 코드를 생성이 필요합니다. 반복적 인 방법은 atomis을 만들 수 있습니다나노 스프링의 TIC 모델 포함한다 : (1) 나선형 경로를 벗어나는 것을 보장하는 모든 원자를 폐기, (2) 결정 성 나선 경로로 포인트를 선택하는, (3)이 선택되는 점에 특정 거리 이내의 모든 원자를 비교하고, (4 ) 버리거나 출력 데이터 모델의 각 원자를 저장하는 단계를 포함한다. 이 방법을 단계별로 설명은 또한 기업 자재.이 방법으로 여러 실리카 나노 스프링 모델이 다양한 치수 (와이어 반지름, 나선의 반경, 및 나노 스프링의 피치)로서 얻었다 확장 가능한 오픈 소스 코드에 포함 그림 1. 고정밀 실리카 나노 스프링 모델은 나노 스프링에 대한 (낮은 높은) 피치 값 극단에서 발견 유물의 증거로,이 방법으로 효율적으로 얻을 수 있었다. 제작 및이 방법을위한 그래픽 사용자 인터페이스의 사용은 프로토콜 절에 설명되어있다.
그림 1. R, R 및 P는 각각 와이어 반지름, 나선의 반경 및 피치를 나타내는 특성 치수를 보여주는 일반적인 나선 구조는 H가 나선 구조 (23)의 전체 높이를 나타낸다.
이 프로토콜은 LINUX PC (25)에 MATLAB (24)를 실행 NanospringCarver 파일을 준비하고, 원자의 나노 스프링 모델을 준비하기 위해 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하는 방법을 설명합니다. 이 이전에 사용할 수없는 모델은 새로운 분자 역학의 기초 (MD) 재료 혁신 연구 방향 (23)에 대한 모의 역할을한다.
원자의 나노 스프링 모델을 만들 수있는 일반적인 단계별 절차는 다음과 같은 요소를 사용하는 것 (A) NanospringCarver. (V 0.5 베타) 코드 (오픈 신CE C ++ 언어), (b) 벌크 석영 유리 모델 (입력 파일), (c) MATLAB의 GUI 인터페이스와 관련된 파일, LINUX PC에 로컬 라이센스를 사용하는 (d)에 MATLAB 소프트웨어 (버전 7)이다. 항목 (a) - 상기 (c) (NanospringCarver 코드, 석영 유리 모델, MATLAB GUI 파일) 온라인 26 다운로드 자유 롭다. MATLAB (매트릭스 연구소)은 주로 데이터 시각화 및 분석, 이미지 처리, 생물학 및 계산에 사용되는 매스 웍스 (24)로부터의 수치 계산, 시각화 및 애플리케이션 개발을위한 고급 언어이다.
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Protocol
1. NanospringCarver 파일 준비 및 리눅스 PC에 MATLAB 시작
다음 단계 (26)을 온라인으로 제공되는 파일을 사용할 수 있도록 일반 사용자 용으로 설계된다.
- "홈"또는 다른 원하는 디렉토리에 nanosprings.tar.gz 파일의 압축 파일을 푼다.
- 웹 저장소 (26)에서 nanosprings.tar.gz 파일 아카이브를 다운로드합니다.
- 다운로드 한 압축 파일을 찾아 "문서 / 나노 스프링"라는 선호하는 작업 디렉토리로 이동합니다.
- nanosprings.tar.gz을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 상황에 맞는 메뉴에서 "여기 추출"을 선택합니다.
- 필요한 모든 파일이 현재 디렉토리에 있는지 확인합니다. 그 파일과 목적은 다음의 목록 :
메이크 - 수동 nanosprings.cpp 및 Point.cpp에 대한 컴파일 파일 관리
Nanosprings.fig -MATLAB GUI 내부
Nanosprings.m -MATLAB GUI 코드
Point.cpp - 포인트 (원자) 클래스 정의
Point.h - 포인트 (원자) 클래스 헤더
개척 - 독립 실행 형 나노 스프링 실행
example.par - 예를 들어, 매개 변수 파일
glasscube.inp - glasscube 데이터 파일
nanosprings.cpp - 주요 나노 스프링 코드
nanosprings_diagram.jpg - 예 디스플레이 나노 스프링
nanospringsmex.cpp - MATLAB 통합 nanosprings.cpp
nanospringsmex.mexglx - MATLAB 통합 나노 스프링 실행
참고 : 사용자가 (이 예에서는 32 비트 버전) 특정 사용되는 리눅스 시스템에 대한 "nanospringsmex.mexglx"실행 파일을 만들어야합니다. 이 아직 완료되지 않은 경우, MATLAB "MEX"컴파일러에 대한 액세스를 확인"MEX"명령 줄에 입력하고 프로그램의 존재를 확인하여. 또한 명령 줄 "MATLAB"에 입력하여 MATLAB 프로그램에 대한 액세스를 확인합니다. 아래의 설명과 같이 "nanospringsmex.mexglx"실행 MATLAB 통합 NanospringCarver 파일을 만듭니다 "멕스 nanospringsmex.cpp Point.cpp"를 입력하려면 명령 줄을 사용하여. GUI 인터페이스에 필요하지 않지만 NanospringCarver 프로그램의 독립 실행 형 버전을 원하는 경우, 명령 행에서 "확인"을 입력하여 생성 할 수 있습니다. 이것은 "개척"실행 파일을 만드는 데 함께 nanosprings.cpp 및 Point.cpp 프로그램 요소를 컴파일합니다. 이 자습서는 "glasscube.inp는"파일은 192,000 실리콘과 산소 원자 representin에 대한 위치 정보를 포함 조지아 석영 유리 모델은, 각 원자의 ID를 포함하는 선, 원자 타입, X, Y와 Z는 원자 좌표. 파일의 첫 번째 줄은 총 원자 수 (192,000)입니다. 이 파일의 원자 좌표는 나노 미터의 거리를 나타내는 것이다 0.716를 곱하면 상대 값이다. - 바탕 화면에서 터미널 창을 엽니 다. 많은 리눅스 버전은 동시에 "Alt 키"와 "T"키를 "Ctrl 키"를 눌러이 작업을 수행하십시오.
- 나노 스프링 프로젝트 파일을 입력하여 추출되는 폴더로 디렉터리를 변경 :
CD 문서 / 나노 스프링 / - 다음을 입력하여 시스템의 바이너리를 컴파일 명령을 실행합니다 :
MEX nanospringsmex.cpp Point.cpp - 다음 명령 행에 MATLAB을 입력하여 MATLAB을 시작
2. 수정 및 NanospringCarver 프로그램에 대한 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 사용하여
"ove_content> 온라인 (26)을 제공하는 파일을 사용하여 아래의 단계를 따릅니다.- 설명서 요약 (그림 3)과 새 창을 표시하려면 왼쪽 상단 도구 모음 영역 (그림 2)에 가이드 아이콘을 클릭하여 MATLAB의 가이드를 엽니 다.
그림 2 : MATLAB GUIDE을 여는 방법을 보여 MATLAB 사용자 인터페이스.
그림 3 : MATLAB GUIDE 인터페이스 초기화.
- 기존의 그림을 수정하려면 "열기 기존 GUI"탭 (그림 4)를 사용합니다. 기존 GUI를 검색하려면 "찾아보기"버튼을 클릭그림을 수정해야합니다. 그림 파일을 선택한 후 GUI 그림으로 새 창을 표시하는 두 창에서 "열기"를 클릭, (Nanosprings.fig을, 파란색 상자 참조). 왼쪽 패널의 GUI 생성 (그림 5)에 활용 될 수있는 버튼을 사용할 수 찾습니다.
그림 4 : 기존의 GUI 그림 파일을 여는 방법을 보여 MATLAB GUIDE 인터페이스를 제공합니다.
그림 5 : MATLAB GUIDE 인터페이스는 기존의 GUI 그림을 수정하기위한 도구를 표시합니다.
- GUI를 실행하려면, 아래의 "실행"을 클릭합니다 "도구 "메뉴. 팝업 창이 실행하기 전에 그림을 저장할지 여부를 묻는 메시지가 나타나면 그런 다음, "예"를 클릭합니다. 새 창이 수정 된 GUI를 표시합니다.
- 필요한 경우, 예로서,이 GUI를 이용하여 다른 특정 물질에 대한 다른 GUI를 생성한다.
- 먼저 GUI의 맨 위에있는 "입력 모델 파일을 선택"버튼을 클릭하고 "glasscube.inp"파일로 이동 한 예 실행을 설정합니다. 이 파일을 선택하고 검색 창을 닫습니다 "열기"를 클릭합니다. 그것을 선택한 입력 파일과 경로는 이제 "입력 선택 모델 파일"버튼 (그림 6)의 오른쪽에있는 GUI 창에 나타납니다.
도 6 : 예 실리카 나노 스프링 모델을 생성하는 GUI를 사용하는 스크린 샷.
- 다음에 대해 검색하고로 출력 모델을 저장할 디렉토리를 선택하려면 "출력 모델"섹션에서 "찾아보기"버튼을 사용합니다. 이미이 버튼의 오른쪽에 첨부 창에 표시 출력 디렉토리가 있음에도 불구하고, 출력 디렉토리가 적극적으로 활성화 할 수있는 실행을 위해 순서로 선택되어 있는지 확인합니다.
참고 : 나열된 "고급 매개 변수 최소 거리"값 (그림 6의 0.209311)이이 예에서 제공하는 "glasscube.inp"입력 파일을 위해 특별히 계산되고, 그대로 두어야합니다. 이 값은 모델을 실행하기 전에이 위치에 "0"의 값을 입력하여 다른 입력 파일의 처음 사용할 필요에 계산 될 수있다. 이 예에서, 모든 파라미터 값 좌표계 원자 입력 일치하도록 상대적인 단위이다. 0.716를 곱한 경우 매개 변수 값은 나노 미터의 거리를 나타내는 것이다. </ 리> - GUI "실행"버튼을 눌러 R = 1.0, R = 5.0, P = 1.5, 및 D = 0.209311 주어진 봄 매개 변수를 사용하여 예제를 실행합니다. MATLAB 명령 창에서 실행에서보기 의견 (그림 7). 피드백에서, 입력 데이터 파일이 성공적으로 읽도록, 스프링 파라미터 확정되었는지 확인하고라는 출력 파일에 저장된 결과는 "모델"은 설명한다.
그림 7 : GUI 기반의 나노 스프링의 실행에서 MATLAB 명령 창 피드백.
참고 : 위의 예에서, 파일 "모델"원자의 총 수를 나타내는 첫 번째 줄에 원하는 봄, 한 줄에 하나씩 포함 5,176 원자를 포함파일의. 원자를 정의하는 각 행은 원자 번호, 원자의 종류, X, Y, 그 원자의 Z 좌표를 포함하고 있습니다.
- GUI 인터페이스가 완료되면, MATLAB에서 "Nanosprings.m" "현재 폴더"창을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 연속 실행을 수행하고 "실행"을 선택하면 직접 GUI 인터페이스를 불러옵니다.
참고 : 다양한 참조 MATLAB 가이드에 대한 자세한 정보와 기본 설명서의 인터페이스에 27-31을 나열되어 있습니다.
오픈 소스 비주얼 (19) 3. 확인 NanospringCarver 결과
다음 단계를 시각화하고 NanospringCarver에 의해 생성 된 출력 봄 모델을 확인하는 일반 사용자를 위해 설계되었습니다.
- 시각화 프로그램 (19)에 입력 된 파일을 생성하기 위해 전술 한 바와 같이 NanospringCarver MATLAB GUI를 사용한다. 시각화 프로그램을 실행하면 "포인트 coordin를 사용"입력 옵션 파일 색상으로 원자 유형을 구분하고, 필드의 축 그리드 국경을 선택 먹었다.
- 봄 모델에서 거리를 측정하고 기록합니다.
- 원하는 스프링 치수에 대해 측정 된 데이터를 비교하고 봄 모델의 정확성을 확인합니다.
4. 나노 스프링의 MD 인장 시뮬레이션에 NanospringCarver 결과를 사용하여
다음 단계는 종래의 오픈 소스 코드를 MD (32)에 입력으로서 NanospringCarver 의해 만들어진 스프링 모델을 사용하는 일반 사용자의 요약되어있다.
- MD 프로그램이 LAMMPS 오픈 소스의 최신 버전을 다운로드합니다. 매뉴얼과 예제 관련 온라인 설명서를 참조하십시오.
- (18) 이전에보고 된 바와 같이, 적절한 초기 벌크 석영 유리 모델을 준비하기 위해 원하는 나노 스프링 모델의 치수를 결정한다.
- NanospringCarver MATLAB GUI를 사용하여 원하는 나노 스프링 모델을 작성합니다 (괜찮다ction의 2 이상).
- 축 방향으로 11,13,23 모델을 스트레칭하여 원하는 나노 스프링에 인장 시뮬레이션을 수행합니다. 나노 스프링 모델의 대표적인 비디오가 연신 생산 (아래 그림 8 참조 및 애니메이션 그림 1) 시각화 및 분석을위한. 장력 몇 나노 스프링 모델의 응력 - 변형 거동 및 강성에 관한 과학적인 결과는 다른 곳에서보고되었다 (23).
그림 8 : 인장 시뮬레이션 동안 실리카 나노 스프링의 스크린 샷 (또한 그림 1 애니메이션 참조).
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Representative Results
제 계산 절차 (나노 리본 코드)로 작성된 원자의 나노 리본 모델과 연관된 치수는도 9에 도시되어있다. 제 계산 절차 (나노 스프링 코드) 및 관련 치수를 이용하여 생성 된 나노 스프링 모델은도 10에 도시되어있다.
그림 9. 원자의 원하는 크기로 실리카 나노 리본의 모델 : R (나노 리본 반경) = 1.07 nm의, R (나선의 반경) = 5.37 nm의, 그리고 P (피치) = 7.16 nm의. - (f)는 대각선 뷰 (a) 평면도, (b) 측면도, (c)의 추가 회전에 측면도, 및 (d) : 스냅 샷은 나노 구조물의 별개의 뷰를 나타낸다. 의 SiO2 나노 리본 모델은 3354 원자를 포함하고 있습니다. 총 리본 높이 H는 14.1 23 nm의.
그림 10. 원자의 지정된 크기로 실리카 나노 스프링의 모델 : R (와이어 반경) = 1.07 nm의, R (나선의 반경) = 4.29 nm의, 그리고 P (피치) = 4.29 nm의. - (F) 대각선 뷰 (윗면), (b)는 측면도, (C) 추가 정 회전과 측면보기, 및 (d) : 스냅 샷은 나노 스프링 모델의 다른 뷰를 보여줍니다. 의 SiO2 나노 스프링 모델은 21,246 원자 구성되어 있습니다. 총 스프링 높이 H는 14.32 내지 23이다.
모두 코드로 생성 된 나노 리본 및 나노 스프링 치수의 범위는 충분한 (R <3.75 nm의, R <9 nm의 및 P <12.57 ㎚)이었다. 위의 방법은 각각에 적합한 실리카 나노 스프링 및 나노 리본을 만들 수있는 독특한 방법을 제공합니다원자의 시뮬레이션. 두 방법은 유연하고 매우 유용한 다용도 만드는 재료의 독립적 인 다른 나선 구조를 생산하도록 채택 될 수있다.
애니메이션 그림 1 . 인장 시뮬레이션 동안 실리카 나노 스프링.
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Discussion
원래의 접근 방식의 수정은 초기 대량 실리카 유리 MD 모델에서 모두 나노 리본 및 나노 스프링의 작성을 허용하는 두 가지 코드의 개발을 주도 nanohelical 구조를 만들 수 있습니다. 실리카 나노 리본 및 나노 스프링 모델 검증 프로그램의 측정 능력 내에서 치수 정밀도를 확인 다른 소프트웨어 패키지 19-20을 사용하여 추진 하였다. 나노 스프링 및 나노 리본의 비교도 추가 형상 검증 결과 다른 측면과 각도에서 모델을 중첩에 의해 수행되었다. 때문에 다른 물질로부터 모델링 nanohelical 구조에있는 대량 재료 모델의 크기와 사용 가능성과 사용을위한 자신의 확장 성 부가가치 별개의 방식으로 나선형 나노 구조를 만들어이 프로젝트에서 개발 된 두 계산 방법. 여기에 제시된 얻어진 모델은 검출 가능한 아티팩트가없는 보였다 (a원하는 nanohelical 구조에서 누락 톰스) 메소드를 사용하여 생성. 또한, 본 연구에서 개발 된 계산 방법은 단순히 나선을 형성 사인 및 코사인 함수의 순서를 반전시킴으로써, 오른 손잡이 여부 나선형 나노 구조를 만드는가요 성이다. 이 방법의 미래 응용 프로그램은 확장 파라미터의 변화를 허용하는 큰 나선형 구조로 확장하고, 다른 초기 재료 사용의 탐사를 포함 할 것이다.
이러한 방법의 한계는 모델 사이즈가 증가함에 따라 상당한 컴퓨팅 자원을 포함 할 수있다 사용 초기 벌크 실리카 모델에 따라 생성 nanohelices 차원에 대한 제한이 포함된다. 마찬가지로, 현재 구현 된, 나노 리본 또는 나노 스프링 높이가 원래 벌크 모델의 크기를 확장한다. 피치 값보다 클 때 제 1 연산 방법은, 파라미터의 범위에 대한 정확한 나노 리본 모델을 생성7.16 nm이고, 나선형 와이어의 반경은 "벌크"석영 유리 구조의 가장 짧은 치수의 10 % 이상이다. 두 번째 방법은, 연산 파라미터 제한없이 정확한 나노 스프링 모델을 생성한다. 이것은 쉽게 구할 원자 적 나노 구조 모델들이 다른 크기의 조건을 조사하는 데 필요한 MD 시뮬레이션을 수행하기에 특히 중요하다.
프로토콜의 중요한 단계는 모델에 가장 가까운 두 원자 사이의 최소 거리가 치수 파라미터를 정확하게 측정하고 입력 된 특정 초기 MD 벌크 물질 모델의 처음 사용 검증하는 것이다. 또한, 치료는 벌크 물질 모델 치수를 초과하지 않는 사이즈를 헬리컬 요청한 것을 확인해야한다.
기술적 진보는 산화물 나노 리본의 복잡한 나선형 나노 구조의 생성 및 특성화를 촉진 한실험실에서 D 나노 스프링. 이 나노 구조는 다양한 애플리케이션에 대한 자신의 잠재력을 실현하기 위해 철저한 조사를 필요로 독특한 특성을 가지고있다. 이러한 나선 구조의 기계적 거동의 연구 MD 쉽고 정확하게 헬리컬 나노 구조물을 만들고,이어서 예측 시뮬레이션 적절한 자간 전위 및 방법을 활용할 수있는 유연한 코드를 필요로한다. 이 첫 번째 요구 사항을 충족하기 위해, 정확한 구조 모델링 코드는 대규모 MD 압축 시뮬레이션 및 실험 검증에 사용되는 개발되었다.
준비되지 않은 유사 코드들 및 다른 대안 적 방법이 나노 결정에 집중되고 MD로 실리카 유리 (비 정성) nanohelical 모델을 생성하는 이러한 방법은 중요하다. 이 모델링 노력 리터가 MD 시뮬레이션 연구에 사용 얻어진 나노 구조로 확장 된논문에 에드 인장 하중 (23)에서 실리카 유리 nanohelices의 탄성 응답에 초점을 맞추었다. 나노 구조의 시간 효율적인 시뮬레이션 그러나 새로운 프로그래밍 기술과 원자의 모델은 특히 예측 연구에 중요 해지고 있으며, 어려운 문제입니다. 이러한 모델링 기법 빠르게 관심을 얻고 신속 고성능 컴퓨팅을 필요 모델 효율적인 방법이되고있다. 미래의 학문적 노력은 계산 연구자 교육 및 교실 연습에서 이러한 코드의 적응을 포함 할 전망이다. 다른 하중 조건에 나선형 구조의 반응을 연구하기 위해 MD 시뮬레이션을 수행하면 이러한 강력한 원자의 모델과 확실히 가능하다. 빌딩 블록 이러한 나노 구조를 이용하여 미래의 제조의 성공은 nanomanipulation 및 자기 조립 과정에 의미와, 그 구조 및 특성의 이해에 따라 달라집니다. 이 작품의 난다수의 응용 프로그램에 대한 나노 설계에 잠재적으로 유용 할 수있는 대규모의 MD 시뮬레이션을 이용하여 이러한 나노 구조물의 기계적 거동을 이해 향하여 사행 단계.
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Disclosures
저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.
Acknowledgments
저자는이 프로젝트에 그의 도움을 UC 머 시드에서 팀 알리스 감사드립니다. UCM에서 NSF-동전 프로그램은이 작업의 초기 부분에 (KAM)을 지원. NSF-Brige의 수상 회의에이 작품과 여행 경비에 대한 자금을 제공, 공동 저자 (BND와 KAM)을 지원.
연구 그룹은 Brige의 수상을 통해이 일을 자금을 주로 국립 과학 재단 (National Science Foundation)을 인정하기를 기원합니다. 이 자료는 그랜트 번호 1,032,653 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원 작업에 기초한다.
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
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