Skalerbare Nanohelices for prediktiv Studier og forbedret 3D Visualisering

Summary

Nøyaktig modellering av nanohelical strukturer er viktig for prediktiv simuleringsstudier fører til nye nanoteknologi programmer. Foreløpig er programvarepakker og koder begrenset i å skape atomistisk spiralformede modeller. Vi presenterer to prosedyrer utformet for å skape atomistisk nanohelical modeller for simuleringer, og et grafisk grensesnitt for å styrke forskning gjennom visualisering.

Abstract

Fjærlignende materialer er allestedsnærværende i naturen og av interesse for nanoteknologi for energihøsting, hydrogenlagring, og biologiske sensing programmer. For prediktiv simuleringer, har det blitt stadig viktigere å kunne modellere strukturen i nanohelices nøyaktig. For å studere effekten av lokal struktur på egenskapene til disse komplekse geometrier må man utvikle realistiske modeller. Til dags dato, er programvarepakker heller begrenset i å skape atomistisk spiralformede modeller. Dette arbeidet fokuserer på å produsere atomistisk modeller av kvartsglass (SiO ₂₎ nanoribbons og nanosprings for molekylær dynamikk (MD) simuleringer. Ved hjelp av en MD modell av "bulk" silica glass, to beregnings prosedyrer for å nettopp skape formen på nanoribbons og nanosprings presenteres. Den første metoden benytter AWK programmeringsspråk og open-source programvare for å effektivt skjære ulike former av silika nanoribbons fra jegved hjelp av ønskede dimensjoner og parametriske ligninger som definerer en heliks nitial bulk-modell,. Med denne metoden kan nøyaktige atomiske silika nanoribbons bli generert for et område av verdier og dimensjoner bek. Den andre metoden innebærer en mer robust kode som tillater fleksibilitet i modellering nanohelical strukturer. Denne tilnærmingen benytter en C ++ kode spesielt skrevet for å gjennomføre pre-screening metoder samt de matematiske ligninger for en helix, noe som resulterer i større presisjon og effektivitet når du oppretter nanospring modeller. Ved hjelp av disse kodene, veldefinerte og skalerbare nanoribbons og nanosprings egnet for atomistisk simuleringer kan være effektivt opprettet. En ekstra verdi i både åpen kildekoder er at de kan være innrettet til å reprodusere forskjellige spiralformede strukturer, uavhengig av materialet. I tillegg er en MATLAB grafisk brukergrensesnitt (GUI) brukes til å forbedre læring gjennom visualisering og samhandling for en vanlig bruker med atomistisk helical strukturer. En anvendelse av disse metodene er fersk studie av nanohelices via MD simuleringer for mekanisk energi høsting formål.

Introduction

Skruelinjeformede nanostrukturer blir typisk produsert i laboratoriet ved hjelp av kjemisk dampavsetningsteknikker ^1-2, mens nye tilnærminger har blitt rapportert i litteraturen ^3. Spesielt nanosprings og nanoribbons har blitt studert på grunn av deres distinkte egenskaper og lovende programmer i sensorer, optikk og elektromekaniske og fluidic enheter ^4-7. Syntesemetoder har blitt rapportert å frembringe silisiumoksyd (SiO ₂₎ nanoribbons, noe som gjør disse strukturene potensielle byggesteinen heter for hierarkiske systemer. Novel syntese av 3D silika nanosprings har utvidet sine søknader til chemiresistors når belagt med ZnO ⁸ eller nanopartikler for diagnostika ^9-10.

Eksperimentelle studier på de mekaniske egenskapene til silika nanosprings og nanoribbons er knappe, hovedsakelig på grunn av dagens begrensninger i manipulasjon og testmetoder og utstyr;nt. Etterforskning av nanomechanics av nanostrukturer og nanosprings er rapportert ved bruk av teori og simuleringer ^11-14. Noen simuleringer ¹³ har fokusert på nanomechanical oppførsel av amorfe nanosprings fordi de kan utforske regimer ikke fullt tilgjengelige gjennom eksperimentering. Atomistisk studier av metalliske nanosprings har blitt rapportert i litteraturen for å undersøke størrelsen avhengighet av elastiske egenskaper ^15, og mer nylig den nanomechanics av spiral krystallinske silika nanostrukturer ^14. Eksperimentell testing av nanospring strukturer har også blitt utført i forskjellige materialer som spiralformede karbonnanostrukturer og karbon nanocoils ^16-17. Til tross for kunnskap samlet så langt, er en mer fullstendig forståelse av de mekaniske egenskapene til disse nye nanostrukturer som trengs for fremtidige nanodevice fabrikasjon innsats.

Som MD studier av silika glass (ikke-krystallinsk silika) nanohelices er fortsatt ganske begrenset, den atomistisk modellering av slike strukturer krever etablering av tilpassede koder. Ingen andre alternative metoder for å skape silika glass spiralformede MD modeller har blitt identifisert så langt på nyere litteratur søk. I dette arbeidet er en bottom-up tilnærming til atomistisk modellering av spiralformede silika glass nanostrukturer inkludert nanosprings og nanoribbons forfulgt for fremtidige store MD Nanomechanical simuleringer. Den generelle tilnærmingen innebærer etableringen av en MD "bulk" silica glass modell som rapportert tidligere ^18, og skar ut ulike spiralformede nanostrukturer fra denne "bulk" sample via to robuste og tilpasningsdyktige datamaskin koder utviklet for dette formålet. Begge beregnings prosedyrer gir en distinkt måte å skape nanoribbon og nanospring modeller med stor effektivitet og atomistisk detalj; disse strukturene er egnet for storskala atomistisk simuleringer.I tillegg er en grafisk brukergrensesnitt tilpasset anvendes for å lette opprettelsen og visualisering av de spiralformede strukturer.

Strukturen av "bulk" silika glassmodell blir først skapt ved romtemperatur. Storskala MD simuleringer ble utført for dette formål ved hjelp av Garofalini interatomic potensial lik den tidligere studier ^18, som er relativt effektive beregningsmessig og hensiktsmessig for store systemer. Den innledende "bulk" silica glass struktur består av en kubisk modell (14,3 x 14,3 x 14,3 nm ³⁾ som inneholder 192000 atomer. Den "bulk" silica glass modellen er ekvilibrert ved 300 K i 0,5 nsek for å oppnå den opprinnelige tilstand ved hjelp av periodiske grensebetingelser.

To beregningsprosedyrer er utviklet og brukt til å lage atomistisk silika nanoribbon og nanospring modeller. Den første metoden innebærer carving ut silika nanoribbons fraden "bulk" struktur ved hjelp av parametriske ligninger som definerer en helix, og dens geometri (pitch, radius på helix, og wire radius). Denne prosedyren omfatter bruk av AWK programmeringsspråk, operativsystemet Linux og åpen kildekode visualiseringsprogramvare ^19. Den generelle iterativ prosedyre for å skape modeller av atomiske nanoribbons innebærer: (1) valg av et atom i "bulk" silica glass modellen, (2) å beregne avstanden fra den valgte atom til et punkt i rommet på en forhåndsdefinert skrueformet funksjon, (3) sammenligner dette avstand til radien av det ønskede nanoribbon, og (4) å forkaste eller holde atomet i en utgangsdatamodell. En detaljert steg-for-steg beskrivelse for denne metoden er inkludert i Scalable Open-Source Codes mye bonusmateriale. Med denne metoden ble flere silika nanoribbons opprettet ved hjelp av annen avstand, radius av helix og nanoribbon radiusverdier, som ble målt i ettertidfor nøyaktighet mot de ønskede dimensjonale verdier med molekylær analyse og visualisering programvare ^19-20. Atomistisk modeller av silika nanoribbons ble generert med funksjonelle geometrier (høye verdier av banen og lave verdier av nanoribbon radius). Noen gjenstander, som består av atomer ekskludert ved en feil, som fører til et mindre glatt nanoribbon overflaten, ble observert ved svært høye nanoribbon radius verdier og ekstremt lave bek verdier. Lignende fremgangsmåter er blitt anvendt i prosessen med å skape silikananotråder ^21-23.

Den andre metoden presentert her omfatter utskjæring ut silika nanosprings fra "bulk" silika struktur ved å gjennomføre pre-screeningmetoder for å øke effektiviteten i tillegg til de matematiske ligninger for en skruelinje. Denne prosedyren er nødvendig å skape et mer robust C ++ kode for å tillate større fleksibilitet i å modellere slike skrueformede nanostrukturer. Iterativ metode for å lage atomistic modeller av nanosprings omfatter: (1) å forkaste alle atomer garantert til å falle utenfor spiralbane, (2) deter velge et punkt på spiralbane, (3) å sammenligne alle atomer i en bestemt avstand til dette punktet du har valgt, og (4 ) kaster eller lagre hvert atom i en utgangsdata modell. En trinn-for-trinn-beskrivelse for denne metoden er også inkludert i den skalerbare Open-Source Codes Supplemental Material. Med denne metoden ble flere silika nanospring modeller oppnådd med varierte dimensjoner (ledning radius, radius på helix, og pitch på nanospring) som vist i figur 1. Veldig presis silika nanospring modeller ble oppnådd effektivt med denne metoden, uten tegn til gjenstander funnet på ekstrem (lav og høy) bek verdier for nanospring. Opprettelse og bruk av det grafiske brukergrensesnittet for denne metoden er beskrevet i protokollen delen.

Fig. 1: Et generelt helisk struktur som viser karakteristiske dimensjoner, hvor R, R og p representerer ledningen radius, radius av spiralen, og banen henholdsvis H betegner den totale høyde av den spiralformede strukturen ^23.

Denne protokollen beskriver hvordan å forberede NanospringCarver filer, kjører MATLAB ²⁴ på en LINUX ²⁵ PC, og bruke et grafisk brukergrensesnitt for å forberede atomistisk nanospring modeller. Disse tidligere utilgjengelige modeller tjene som grunnlag for nye molekyldynamikk (MD) simuleringer ²³ mot materialer innovasjonsforskning.

Den generelle trinn-for-trinn prosedyre for å skape atomistisk nanospring modeller innebærer å bruke følgende elementer: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) kode (open-source i C-språk ++), (b) bulk silika glass modell (input-fil), (c) MATLAB GUI-grensesnitt og relaterte filer, og (d) MATLAB programvare (versjon 7) ved hjelp av en lokal lisens på en Linux-PC. Elementer (a) - (c) ovenfor (NanospringCarver kode, silika glass modell, MATLAB GUI-filer) er gratis å laste ned online ^26. MATLAB (Matrix Laboratory) er en høy-nivå språk for numerisk beregning, visualisering og applikasjonsutvikling fra MathWorks ^24, som er mest brukt for data visualisering og analyse, bildebehandling, og beregningsorientert biologi.

Protocol

1. Klar NanospringCarver filer og starte MATLAB på en Linux-PC

Følgende trinn er designet for en vanlig bruker å gjøre bruk av de filene som er levert på nettet ^26.

1. Pakk ut nanosprings.tar.gz filarkiv inn i "Hjem" eller en annen foretrukket katalogen.
   1. Last ned nanosprings.tar.gz filarkiv fra nettet repository ^26.
   2. Finn den nedlastede arkivet og flytte den til et foretrukket arbeidskatalog med tittelen "Dokumenter / Nanosprings".
   3. Høyreklikk nanosprings.tar.gz og velg "Pakk ut her" fra høyreklikkkontekstmenyen.
2. Kontroller at alle de nødvendige filene finnes i gjeldende katalog. En liste over disse filene og deres formål følger:
   Makefile - manuelt klarte kompilere fil for nanosprings.cpp og Point.cpp
   Nanosprings.fig -MATLAB GUI innvendige
   Nanosprings.m -MATLAB GUI-kode
   Point.cpp - Point (atom) klassedefinisjon
   Point.h - Point (atom) klasse header
   Skjære - frittstående nanosprings kjørbar
   example.par - eksempel parameter fil
   glasscube.inp - glasscube datafil
   nanosprings.cpp - hoved nanosprings kode
   nanosprings_diagram.jpg - eksempel nanospring for visning
   nanospringsmex.cpp - MATLAB-integrert nanosprings.cpp
   nanospringsmex.mexglx - MATLAB-integrert nanosprings kjørbar
   Merk: Brukeren må skape "nanospringsmex.mexglx" kjørbar fil for den aktuelle Linux maskin som brukes (32-bit versjonen i dette eksempelet). Hvis dette har ennå ikke blitt gjort, verifisere tilgangen til MATLAB "mex" kompilatorenved å skrive på kommandolinjen "som mex" og bekrefte eksistensen av programmet. Kontroller også tilgang til MATLAB-programmet ved å skrive på kommandolinjen "som Matlab". Ved hjelp av en kommandolinje for å skrive "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" vil skape "nanospringsmex.mexglx" kjørbar MATLAB-integrert NanospringCarver fil, som vist i instruksjonene nedenfor. Selv om det ikke er nødvendig for den grafiske grensesnittet, kan om ønskelig en frittstående versjon av NanospringCarver program opprettes ved å skrive "gjøre" på en kommandolinje. Dette vil kompilere nanosprings.cpp og Point.cpp program elementer sammen for å skape den "carve" kjørbar fil. I denne opplæringen, vil "glasscube.inp" filen inneholder posisjonsinformasjon for 192000 silisium og oksygen atomer representin GA silika glassmodell, der hver linje inneholder et atom-ID, atom type, og x, y, z-koordinater for atomet. Den første linjen i filen er den totale atom count (192000). Atom-koordinater i denne filen er relative verdier, som hvis multiplisert med 0,716 ville representere nanometer avstander.
3. På skrivebordet, åpne et terminalvindu. På mange Linux-versjoner oppnå dette ved samtidig å trykke "Ctrl", "Alt" og "T" -tastene.
4. Endre katalogen til mappen der nanosprings prosjektfiler ble hentet ved å skrive:
   cd Dokumenter / Nanosprings /
5. Deretter kjører du kommandoen for å kompilere binær for systemet ved å skrive:
   mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
6. Neste starte MATLAB ved å skrive matlab på kommandolinjen

2. Endre og bruke et grafisk brukergrensesnitt (GUI) til NanospringCarver Program

ove_content "> Følg fremgangsmåten nedenfor for å bruke filene som følger online ^26.

1. Åpne GUIDE i MATLAB ved å klikke på GUIDE ikonet øverst til venstre verktøyområdet (figur 2), for å vise et nytt vindu med GUIDE hurtigstart (figur 3).

Figur 2: Matlab brukergrensesnitt som viser hvordan du åpner MATLAB GUIDE.

Figur 3: MATLAB GUIDE grensesnitt initialiseringsmelding.

2. Bruk "åpne eksisterende GUI" -kategorien (figur 4) for å endre en eksisterende figur. Klikk på "Browse" -knappen for å søke etter den eksisterende GUIFiguren som skal endres. Når du har valgt figuren fil (Nanosprings.fig, se blå boks), klikk på "Open" på begge vinduene for å vise et nytt vindu med GUI figuren. Finn tilgjengelige knapper for å bli utnyttet for GUI skapelse på venstre panel (figur 5).

Figur 4: MATLAB GUIDE grensesnitt som viser hvordan du åpner en eksisterende GUI figur fil.

Figur 5: MATLAB GUIDE grensesnitt som viser verktøy for å endre en eksisterende GUI figur.

3. For å kjøre det grafiske brukergrensesnittet, klikk på "Run" under "Verktøy "-menyen. Deretter klikker du "Ja" når en pop-up vinduet ber om du vil lagre figuren før du kjører. Et nytt vindu viser den modifiserte GUI.
4. Opprett om nødvendig en annen GUI for et annet spesifikt materiale ved hjelp av denne GUI som et eksempel.
5. Slik setter du opp et eksempel løp, først klikke på "Velg inndata modell fil" knappen på toppen av GUI og naviger til "glasscube.inp" fil. Velg denne filen og klikk "Åpne" for å lukke nettleservinduet. Den valgte inndatafilen og bane til det skal nå vises i GUI-vinduet til høyre for "Valgt inngang modell file" (figur 6).

Figur 6: Skjermbilde for å bruke GUI for å lage et eksempel silika nanospring modell.

6. Deretter bruker du "Browse" -knappen i "Output Model" for å søke etter og velg mappen til å lagre utdataene modellen inn. Sørg for at utgangs katalogen er valgt aktivt for at kjøringen skal være aktivert, selv om det er en utgang katalog allerede oppført i den medfølgende vinduet til høyre for denne knappen.
   Merk: "Advance Parametere Minimum Distance" verdi oppført (0.209311 i figur 6) ble beregnet spesielt for "glasscube.inp" input-filen som følger i dette eksempelet, og bør stå som den er. Denne verdien kan beregnes som nødvendig ved første gangs bruk av en annen inngang fil ved å skrive inn en verdi på "0" i denne plasseringen før du kjører modellen. I dette eksempel, alle parameterverdier er i relative enheter som passer til inngangs atom koordinatsystem. Hvis multiplisert med 0,716 parameterverdiene ville representere nanometer avstander. </ Li>
7. Kjør eksempel ved hjelp av gitte våren parametere på r = 1,0, R = 5.0, p = 1.5 og d = 0,209311 ved å trykke på GUI "Run" -knappen. Vis tilbakemeldinger fra kjøring i MATLAB Command vinduet (figur 7). I tilbakemeldingene, sjekk at fjær parametrene er bekreftet, at inngangsdatafilen leses vellykket, og resultatene som er lagret i output fil som heter "modellen" er beskrevet.

Figur 7: MATLAB Command window tilbakemeldinger fra GUI-baserte Nanosprings løp.

Merk: I eksempelet ovenfor, inneholder filen "modell" 5176 atomer som omfatter ønsket våren, ett per linje, med den første linjen som gir det totale antall atomeri filen. Hver linje som avgrenser et atom omfatter atom-ID, atom type, og x, y, z koordinatene for med dette atomet.

8. Når brukergrensesnittet er ferdig, utfører følgende kjøringer ved å høyreklikke på "Nanosprings.m" i MATLAB "Gjeldende mappe" vinduet, og velge "Run" for å få opp brukergrensesnittet direkte.
   Merk: Ulike referanser er oppført ^27-31 for ytterligere informasjon om MATLAB GUIDE og grunn GUIDE grensesnitt.

3. Kontrollere NanospringCarver Resultater i en Open-source Visualizer ¹⁹

Følgende trinn er designet for en vanlig bruker å visualisere og kontrollere produksjonen våren modeller skapt av NanospringCarver.

1. Bruk NanospringCarver MATLAB GUI som beskrevet ovenfor for å generere filer for innspill til visualisering program ^19. Når du kjører visualisering program, bruk "point coordinspiste fil "input alternativet, skille atomtyper etter farge, og velg en akse rutenett grensen for feltet.
2. Måle avstander i vårens modeller og lage en oversikt over dem.
3. Sammenligne måledata mot ønskede våren dimensjoner og verifisere våren modell nøyaktighet.

4. Bruk NanospringCarver Resultater i MD Strekk Simuleringer av Nanosprings

Følgende trinn er oppsummert for en vanlig bruker å bruke våren modeller skapt av NanospringCarver som inngang til en standard open-source MD kode ^32.

1. Last ned den nyeste versjonen av open-source MD program LAMMPS. Se i tilhørende elektroniske dokumentasjonen for manualer og eksempler.
2. Bestemme dimensjonene av den ønskede nanospring modell for å fremstille det passende initial masse silika glassmodell, som rapportert før ^18.
3. Skape den ønskede nanospring modellen ved hjelp av NanospringCarver MATLAB GUI (se SeDette skjer 2 ovenfor).
4. Utføre strekk simuleringer på ønsket nanospring, ved å strekke modellen aksialt ^11,13,23. Lag en representant video av nanospring modellen blir strukket (se Figur 8, under og animert figur 1) for visualisering og analyse. Vitenskapelige resultater angående stress-belastnings adferd og stivhet av flere nanospring modeller under strekk har blitt ²³ rapportert andre steder.

Figur 8: Skjermbilde av en silika nanospring under strekk simulering (se også Animert figur 1).

Representative Results

De atomiske nanoribbon modeller som er opprettet med den første beregningsprosedyren (nanoribbons kode) og deres tilhørende dimensjoner er vist i figur 9. De resulterende nanospring modeller som bruker det andre beregningsprosedyren (nanosprings kode) og tilhørende dimensjoner er vist i figur 10.

Figur 9. atomistisk modell av en silika nanoribbon med ønskede dimensjoner: r (nanoribbon radius) = 1,07 nm, R (radius av helix) = 5,37 nm, og p (pitch) = 7,16 nm. Snapshots illustrere forskjellige visninger av nanostrukturen: (a) topp utsikt, (b) sidevisning, (c) lateral view med ekstra rotasjon, og (d) - (f) diagonale utsikt. SiO ₂ nanoribbon modellen inneholder 3354 atomer. Den totale båndhøyde H er en4.1 nm ^23.

Figur 10. atomistisk modell av en silika nanospring med spesifiserte dimensjoner: r (wire radius) = 1,07 nm, R (radius av helix) = 4,29 nm, og p (pitch) = 4,29 nm. Snapshots viser forskjellige visninger av nanospring modell: (a) topp utsikt, (b) sidevisning, (c) sidevisning med ekstra rotasjon forover, og (d) - (f) diagonale utsikt. SiO ₂ nanospring modellen består av 21 246 atomer. Den totale fjærhøyde H er 14.32 nm ^23.

Utvalget av nanoribbon og nanospring dimensjoner generert med begge kodene var rikelig (r <3,75 nm, R <9 nm, og p <12.57 nm). Hver av de ovennevnte metoder har en unik måte for å skape silika nanosprings og nanoribbons egnet foratomistisk simuleringer. Begge fremgangsmåter er fleksible og kan være innrettet til å frembringe ulike heliske strukturer uavhengig av materialet, noe som gjør dem svært anvendelige og allsidige.

Animert Figur 1 . Silica nanospring under strekk simulering.

Discussion

Modifikasjon av den opprinnelige metode til å lage nanohelical strukturer førte til utviklingen av to forskjellige koder for å tillate opprettelse av begge nanoribbons og nanosprings fra en innledende massesilikaglass MD-modellen. Verifisering av silika nanoribbon og nanospring modeller ble forfulgt ved hjelp av ulike programvarepakker ^19-20, som bekreftet deres dimensjonal nøyaktighet innenfor måleevne av programmene. Sammenligning mellom nanosprings og nanoribbons ble også utført ved å legge over modeller fra ulike sider og vinkler, noe som resulterte i ytterligere geometri verifisering. Begge beregningsmetoder som er utviklet i dette prosjektet skapt spiralformede nanostrukturer i en tydelig måte, med merverdi på grunn av deres skalerbarhet for bruk med alle bulk material modell størrelse og potensial bruk i modellering nanohelical strukturer fra andre materialer. De resulterende modellene som presenteres her viste det ikke er noen påviselige gjenstander (entoms mangler fra den ønskede nanohelical struktur) genereres ved hjelp av en av metodene. I tillegg er de beregningsmessige metoder som er utviklet i dette arbeidet er fleksible for å lage høyrehendt eller venstrehendt skrueformede nanostrukturer, ganske enkelt ved å snu rekkefølgen av sinus- og cosinusfunksjonene avgrenser heliksen. Fremtidige anvendelser av denne metoden vil omfatte skalering til større spiralformede strukturer som gir utvidet parametervariasjon, og utforskning av bruk med ulike innledende materialer.

Begrensninger av denne metoden inkluderer dimensjonale restriksjoner på de opprettede nanohelices avhengig av innledende bulk silika modell som brukes, noe som kan innebære betydelige dataressurser som øker modellstørrelse. Som for tiden gjennomføres vil nanoribbon eller nanospring høyden utvide til størrelsen på den opprinnelige bulk modell. Den første datametode genererer nøyaktige nanoribbon modeller for en rekke parametre når banen verdien er større enn7,16 nm og radien til den skruelinjeformede tråd er større enn 10% av den korteste dimensjon av "bulk" silica glass struktur. Den andre beregningsmetoden genererer nøyaktige nanospring modeller uten parameter begrensning. Dette er spesielt viktig for å gjennomføre MD simuleringer hvor lett tilgjengelig atomistisk nanostructural modeller for å undersøke ulike størrelsesforhold.

Et kritisk punkt i protokollen vil være å verifisere ved første gangs bruk av en bestemt start MD bulk material modell som den minste avstand mellom de nærmeste to atomer i modellen er fastsatt og innspill riktig med de dimensjonale parametre. I tillegg bør man sørge for å sikre at forespurt spiral dimensjoner som ikke overstiger bulk material modelldimensjonene.

Teknologiske fremskritt har bidratt til opprettelsen og karakterisering av komplekse spiralformede nanostrukturer som oksid nanoribbons end nanosprings i laboratoriet. Disse nanoskala strukturer har unike egenskaper som krever grundig undersøkelse for å realisere sitt fulle potensial for ulike bruksområder. MD-studier av den mekaniske oppførsel av disse skrueformede strukturene krever fleksible koder som lett og nøyaktig kan opprette skrueformede nanostrukturer, og etterfølgende gjør bruk av egnede interatomiske potensialer og fremgangsmåter for prediktiv simuleringer. For å oppfylle dette første kravet, ble nøyaktige strukturelle modellering koder utviklet som vil bli brukt for store MD kompresjons simuleringer og eksperimentell validering.

Denne metoden for å skape MD silika nanohelical modeller glass (ikke-krystallinsk) er betydelig, som lignende koder ikke er lett tilgjengelige og andre alternative tilnærminger har vært fokusert på krystallinske nanostrukturer. Denne modellering innsats har blitt utvidet, med de resulterende nanostrukturer som brukes i MD simuleringsstudier, som har led i en avhandling rettet mot den elastiske reaksjon av silika glass nanohelices henhold strekkbelastninger ^23. Tidseffektive simulering av nanostrukturer er et utfordrende problem, men nye programmeringsteknikker og atomistisk modeller er spesielt å bli viktig for prediktive studier. Dette modellering teknikken er blitt stadig mer interesse og raskt blitt en effektiv metode for modeller som krever høy ytelse. Fremtidige akademiske innsats vil trolig omfatte tilpasning av disse kodene for opplæring av beregnings forskere og i klasserommet øvelser. Utføre MD simuleringer for å studere responsen av spiralformede strukturer til forskjellige belastningsforhold er absolutt gjennomførbart med disse robuste atomistisk modeller. Suksessen til fremtidig produksjon ved hjelp av disse nanostrukturer som byggesteiner vil avhenge forståelse av deres struktur og egenskaper, med implikasjoner på nanomanipulation og selv montering prosesser. Dette arbeidet jegsa skritt mot å forstå den mekaniske oppførselen til slike nanostrukturer ved hjelp av storskala MD simuleringer, som kan være potensielt nyttige for å utvikle nanodevices for et stort antall søknader.

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]