Summary
Exakt modellering av nanohelical strukturer är viktiga för prediktiva simuleringsstudier som leder till nya nanotekniktillämpningar. För närvarande är programpaket och koder begränsad skapa atomistiska spiralformade modeller. Vi presenterar två förfaranden för att skapa atomistiska nanohelical modeller för simuleringar, och ett grafiskt gränssnitt för att stärka forskningen genom visualisering.
Abstract
Spring liknande material finns överallt i naturen och intresse för nanoteknik för energi skörd, vätelagring, och biologiska analystillämpningar. För prediktiva simuleringar, har det blivit allt viktigare att kunna modellera strukturen på nanohelices korrekt. För att studera effekten av lokal struktur på egenskaperna hos dessa komplexa geometrier man måste utveckla realistiska modeller. Hittills har programpaket ganska begränsad skapa atomistiska spiralformade modeller. Arbetet är inriktat på att ta fram atomistiska modeller av kvartsglas (SiO 2) nanoribbons och nanosprings för molekyldynamik (MD) simuleringar. Använda en MD modell för "bulk" kvarts glas, två beräknings förfaranden för att exakt skapa formen av nanoribbons och nanosprings presenteras. Den första metoden använder programvaran AWK programmeringsspråk och öppen källkod för att effektivt hugga olika former av kiseldioxid nanoribbons från initial bulk modell, med hjälp av önskade dimensioner och parametriska ekvationer för att definiera en helix. Med denna metod kan noggranna atomistiska kiseldioxidpartiklar nanoribbons genereras för ett intervall av tonhöjdsvärden och dimensioner. Den andra metoden innebär att en mer robust kod som möjliggör flexibilitet i modeller nanohelical strukturer. Detta tillvägagångssätt använder en C ++ kod speciellt skriven för att genomföra pre-screeningmetoder samt de matematiska ekvationer för en spiral, vilket ger ökad precision och effektivitet när du skapar nanospring modeller. Med hjälp av dessa koder, väldefinierade och skal nanoribbons och nanosprings anpassade för atomistiska simuleringar effektivt kan skapas. Ett mervärde i både öppen källkod är att de kan anpassas för att återge olika spiralstrukturer, oberoende av material. Dessutom är ett MATLAB grafiskt användargränssnitt (GUI) som används för att förbättra inlärning genom visualisering och interaktion för en allmän användare med atomistiskt helical strukturer. En tillämpning av dessa metoder är den nyligen genomförd studie av nanohelices via MD simuleringar av mekaniska energiskördändamål.
Introduction
Spiralformade nanostrukturer typiskt produceras i laboratorium med hjälp av kemiska ångdeponeringstekniker 1-2, medan nya metoder har rapporterats i litteraturen 3. Särskilt nanosprings och nanoribbons har studerats på grund av deras olika egenskaper och lovande tillämpningar inom sensorer, optik och elektromekaniska och fluidanordningar 4-7. Syntesförfaranden har rapporterats för framställning av kiseldioxid (SiO 2) nanoribbons, vilket gör dessa strukturer potentiella byggnad blockenheter för hierarkiska system. Ny syntes av 3D kvarts nanosprings har utökat sina ansökningar till chemiresistors när belagd med ZnO 8 eller nanopartiklar för diagnostiska applikationer 10/09.
Experimentella studier av de mekaniska egenskaperna hos kisel nanosprings och nanoribbons är knappa, främst på grund av strömbegränsning i manipulation och testmetoder och equipment. Undersökningar av nanomekanik av nanostrukturer och nanosprings har rapporterats med hjälp av teori och simuleringar 11-14. Vissa simuleringar 13 har fokuserat på Nanomechanical beteende amorfa nanosprings eftersom de kan utforska regimer inte fullt tillgängliga genom experiment. Atomistiska studier av metalliska nanosprings har rapporterats i litteraturen för att undersöka storleksberoende elastiska egenskaper 15, och på senare tid de nanomekanik av spiralformade kristallina kiselnanostrukturer 14. Experimentell provning av nanospring strukturer har också utförts i olika material såsom spiralformade kol nanostrukturer och kol nanocoils 16-17. Trots den kunskap som samlats in hittills, behövs för framtida nanoanordning tillverkningsinsatser en mer fullständig förståelse av de mekaniska egenskaperna hos dessa nya nanostrukturer.
Som MD studier av kisel gLASS (icke-kristallin kiseldioxid) nanohelices fortfarande ganska begränsad, den atomistisk modellering av sådana strukturer kräver skapandet av anpassade koder. Inga andra alternativa metoder för att skapa kvarts glas spiral MD-modeller har identifierats hittills på senare litteratursökning. I detta arbete är en bottom-up-strategi för atomistisk modellering av spiralformade kiselglasnanostrukturer inklusive nanosprings och nanoribbons eftersträvas för framtida MD nanomechanical storskaliga simuleringar. Det allmänna tillvägagångssättet innebär att det upprättas en MD "bulk" kvartsglas modell som tidigare rapporterats 18, och lyfta ut olika spiralnanostrukturer från denna "bulk" prov via två robusta och anpassningsbara datorprogram som utvecklats för detta ändamål. Båda beräkningsförfaranden erbjuder ett distinkt sätt att skapa nanoribbon och nanospring modeller med stor effektivitet och atomistisk detalj; dessa strukturer är lämpliga för storskaliga atomistiska simuleringar.Dessutom är en skräddarsydd grafiska användargränssnittet som används för att underlätta skapandet och visualisering av de spiralformade strukturer.
Strukturen för "bulk" kiseldioxidglas Modellen skapas initialt vid rumstemperatur. Storskaliga MD simuleringar genomförs för detta ändamål genom att använda Garofalini interatomär potential liknar tidigare studier 18, vilket är relativt effektivt beräkningsmässigt och lämpligt för stora system. Den inledande "bulk" kiseldioxidglas struktur består av en kubisk modell (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3) som innehåller 192.000 atomer. Den "bulk" kvartsglas modell jämvikt vid 300 K 0,5 ns för att erhålla det ursprungliga tillståndet med hjälp av periodiska randvillkor.
Två beräkningsförfaranden är utformade och utnyttjas för att skapa atomistiska kiselnanoribbon och nanospring modeller. Den första metoden innebär att bortse från kiseldioxid nanoribbons frånden "bulk" struktur med hjälp av parametriska ekvationer som definierar en spiral, och dess geometri (stigning, radie helix, och trådradie). Detta förfarande består i att använda programmeringsspråket awk, operativsystemet LINUX, och öppen källkod visualiseringsprogram 19. Den allmänna iterativ procedur för att skapa atomistiska modeller av nanoribbons innebär: (1) att välja en atom i "bulk" kiseldioxidglas modell, (2) beräkning av avståndet från den valda atomen till en punkt i rymden på ett fördefinierat spiralformad funktion, (3) jämförelse av detta avstånd med radien av den önskade nanoribbon, och (4) att kasta bort eller hålla atom i en utgångsdatamodellen. En detaljerad steg-för-steg-beskrivning för denna metod ingår i Scalable Open-Source Codes kompletterande material. Med denna metod har flera kisel nanoribbons skapas med hjälp av olika tonhöjd, radie helix och nanoribbon radievärden, som uppmättes senareför noggrannhet mot de önskade dimensionella värden med molekylär analys och visualisering 19-20. Atomistiska modeller av kiseldioxid nanoribbons genererades med funktionella geometrier (höga värden av beck och låga värden av nanoribbon radie). Vissa artefakter, som består av atomer uteslutits av misstag, vilket leder till en mindre slät nanoribbon yta, observerades vid mycket höga nanoribbon radievärden och extremt låga värden tonhöjd. Liknande metoder har använts i processen för att skapa kiselnanotrådar 21-23.
Den andra metoden som presenteras här innefattar carving out kiseldioxid nanosprings från "bulk" kiselstruktur genom att genomföra pre-screeningmetoder för att öka effektiviteten i tillägg till de matematiska ekvationer för en spiral. Detta förfarande krävs att skapa en mer robust C ++ kod för att möjliggöra en mer flexibel modellering av dessa spiralformade nanostrukturer. Den iterativa metod att skapa atomistiska modeller av nanosprings inkluderar: (1) kassera alla atomer garanterat att falla utanför helixbanan, (2) deterministiskt välja en punkt på den spiralformade banan, (3) en jämförelse mellan alla atomer inom ett visst avstånd till det valda punkten, och (4 ) kasseras eller lagra varje atom i en utdata-modellen. En steg-för-steg-beskrivning för denna metod ingår också i Scalable Open-Source Codes Kompletterande material. Med denna metod har flera kisel nanospring modeller som erhållits med olika dimensioner (trådradie, radie helix, och tonhöjd nanospring) som visas i figur 1. Mycket exakt kiseldioxid nanospring modeller erhölls effektivt med denna metod, utan tecken på artefakter hittades vid extrema (låga och höga) tonhöjdsvärden för nanospring. Skapandet och användningen av det grafiska användargränssnittet för denna metod beskrivs i protokollet avsnittet.
Figur 1:. En allmän spiralstruktur som visar karaktäristiska dimensioner, där r, R och p representerar trådradie, radie helix, och pitch respektive H betecknar den totala höjden av spiralstruktur 23.
Detta protokoll beskriver hur du förbereder NanospringCarver filerna, kör MATLAB 24 på en LINUX 25 dator och använda ett grafiskt användargränssnitt för att förbereda atomistiska nanospring modeller. Dessa tidigare otillgängliga modellerna ligga till grund för nya molekyldynamik (MD) simuleringar 23 mot forskningsmaterial innovation.
Den allmänna steg-för-steg för att skapa atomistiska nanospring modeller innebär att man använder följande delar: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) kod (open-surce i språket C ++), (b) bulk kiseldioxidglas modell (infil), (c) MATLAB grafiskt gränssnitt och tillhörande filer, och (d) MATLAB (version 7) med hjälp av en lokal licens på en Linux-dator. Items (a) - (c) ovan (NanospringCarver kod, kvartsglas modell, MATLAB GUI-filer) är gratis att ladda ner på nätet 26. MATLAB (Matrix Laboratory) är ett högnivåspråk för numeriska beräkningar, visualisering, och applikationsutveckling från MathWorks 24, som främst används för datavisualisering och analys, bildbehandling och beräkningsbiologi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Förbereda NanospringCarver filer och starta MATLAB på en Linux-dator
Följande steg är konstruerade för en vanlig användare att använda sig av filerna som tillhandahålls på nätet 26.
- Packa upp nanosprings.tar.gz filarkiv i "Home" eller annan föredragen katalog.
- Hämta nanosprings.tar.gz filarkiv från nätet förrådet 26.
- Leta upp den nedladdade arkivet och flytta den till en föredragen arbetskatalog med titeln "Dokument / Nanosprings".
- Högerklicka nanosprings.tar.gz och välj "extrahera här" från högerklicksmenyn.
- Kontrollera att alla nödvändiga filer finns i den aktuella katalogen. En lista över dessa filer och deras syfte följer:
Makefile - lyckades kompilera fil för nanosprings.cpp och Point.cpp manuellt
Nanosprings.fig -MATLAB GUI internals
Nanosprings.m -MATLAB GUI kod
Point.cpp - Point (atom) klassdefinition
Point.h - Point (atom) klass header
Carve - fristående nanosprings körbara
example.par - exempel parameterfil
glasscube.inp - glasscube datafil
nanosprings.cpp - huvud nanosprings kod
nanosprings_diagram.jpg - exempel nanospring för visning
nanospringsmex.cpp - MATLAB-integrerad nanosprings.cpp
nanospringsmex.mexglx - MATLAB integrerade nanosprings körbar
Anmärkning: Användaren måste skapa den "nanospringsmex.mexglx" körbar fil för den specifika Linux-maskin som används (32-bitars version i det här exemplet). Om detta har ännu inte gjorts, verifiera åtkomst till MATLAB "mex" kompilatorgenom att skriva på kommandoraden ", som mex" och förvissade sig om programmet. Kontrollera också tillgång till MATLAB-programmet genom att skriva på kommandoraden "som matlab". Med hjälp av en kommandorad för att skriva "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" kommer att skapa den "nanospringsmex.mexglx" körbar MATLAB-integrerad NanospringCarver fil, vilket visas i nedanstående instruktioner. Även om det inte behövs för det grafiska gränssnittet, om så önskas en fristående version av NanospringCarver programmet kan skapas genom att skriva "make" på kommandoraden. Detta kommer att sammanställa nanosprings.cpp och Point.cpp programinslag tillsammans för att skapa den "hugga" körbar fil. I denna handledning, den "glasscube.inp" filen innehåller positionsinformation för 192.000 kisel och syreatomer Representin ga kiseldioxidglas modell, där varje rad som innehåller en atom-ID, atom typ, och x, y, koordinater z för atomen. Den första raden i filen är den totala atomantal (192.000). Atomkoordinatema i den här filen är relativa värden, som om den multipliceras med 0,716 skulle representera nanometer avstånd. - På skrivbordet öppnar ett terminalfönster. På många Linux-versioner åstadkomma detta genom att samtidigt trycka på "Ctrl", "Alt" och "T" nycklar.
- Byt katalog till den mapp som nanosprings projektfiler extraherades genom att skriva:
cd Dokument / Nanosprings / - Kör sedan kommandot för att sammanställa det binära för systemet genom att skriva:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Nästa initiera MATLAB genom att skriva matlab på kommandoraden
2. Modifiering och använda ett grafiskt användargränssnitt (GUI) till NanospringCarver Program
ove_content "> Följ stegen nedan med hjälp av de filerna som tillhandahålls på nätet 26.- Öppna GUIDE i MATLAB genom att klicka på ikonen GUIDE, längst upp till vänster verktygsfältet (Figur 2), för att visa ett nytt fönster med GUIDE snabbstart (Figur 3).
Figur 2: MATLAB användargränssnitt som visar hur man öppnar MATLAB GUIDE.
Figur 3: MATLAB GUIDE interface initialisering.
- Använd "Öppna befintligt GUI" fliken (Figur 4) för att ändra en befintlig figur. Klicka på knappen "Bläddra" för att söka efter den befintliga GUIsiffra som ska ändras. När du har valt siffran filen (Nanosprings.fig, se blå rutan), klicka på "Open" på båda fönstren för att visa ett nytt fönster med det grafiska figuren. Leta reda på knappar tillgängliga för att utnyttjas för GUI skapande i den vänstra panelen (Figur 5).
Figur 4: MATLAB GUIDE gränssnitt som visar hur man öppnar en befintlig GUI siffra fil.
Figur 5: MATLAB GUIDE gränssnitt visar verktyg för att modifiera en befintlig GUI siffra.
- För att kunna köra det grafiska gränssnittet, klicka på "Kör" under "Verktyg "-menyn. Klicka sedan på "Ja" när ett popup-fönster frågar om du vill spara bilden innan du kör. Ett nytt fönster visas den modifierade GUI.
- Om det behövs, skapa en annan GUI för ett annat specifikt material med hjälp av denna GUI som exempel.
- För att ställa in exempel springa, klicka först på "Välj ingångsmodell fil" knappen högst upp i det grafiska gränssnittet och navigera till "glasscube.inp" filen. Välj denna fil och klicka på "Öppna" för att stänga webbfönstret. Den valda ingångsfilen och sökvägen till den bör nu visas i GUI fönster till höger om knappen "Vald ingångsmodell file" (bild 6).
Figur 6: Skärmdump på att använda GUI för att skapa ett exempel kisel nanospring modell.
- Nästa, använd "Bläddra" -knappen i "Output Model" för att leta efter och välj den katalog du vill spara output-modell till. Kontrollera att utdata katalogen aktivt valt för att körningen ska aktiveras, även om det finns en utgångs katalogen redan finns med i medföljande fönstret till höger om den här knappen.
Obs: "Advance Parametrar Minsta Avstånd" värde listad (0.209311 i Figur 6) beräknades speciellt för "glasscube.inp" input-filen i detta exempel, och bör lämnas som de är. Detta värde kan beräknas som behövs vid första användningen av en annan indatafilen genom att ange ett värde på "0" i detta läge innan du kör modellen. I detta exempel är alla parametervärden är i relativa enheter för att matcha den ingående atom koordinatsystem. Om multiplicerat med 0,716 parametervärdena skulle representera nanometer avstånd. </ Li> - Kör exempel med användning av de givna fjäderparametrar av r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5, och d = 0,209311 genom att trycka på GUI "Run" -knappen. Se feedback från körningen i fönstret MATLAB Command (Figur 7). I respons, kontrollera att fjäderparametrarna bekräftas att ingångsdatafilen läses med framgång, och resultaten lagras i utdatafilen som heter "modell" beskrivs.
Figur 7: MATLAB Command window feedback från GUI-baserade Nanosprings sikt.
Anmärkning: I ovanstående exempel, filen "modell" innehåller 5176 atomer innefattande den önskade fjäder, en per rad, med den första linjen som ger det totala antalet atomeri filen. Varje rad definierar en atom innefattar atomen ID, atom typ, och x, y, z-koordinater för att atom.
- När det grafiska gränssnittet har avslutats, utför successiva körningar genom att högerklicka på "Nanosprings.m" i MATLAB "Current Folder" fönstret och välja "Kör" för att få upp det grafiska gränssnittet direkt.
Anm: Olika referenser listas 27-31 för ytterligare information om MATLAB GUIDE och grundläggande GUIDE gränssnittet.
3. Verifiera NanospringCarver Resultat i en Open-source Visualizer 19
Följande steg är konstruerade för en vanlig användare att visualisera och kontrollera utgående vårens modeller som skapats av NanospringCarver.
- Använd NanospringCarver MATLAB GUI som beskrivs ovan för att generera filer för inmatning i visualiseringsprogrammet 19. När du kör visualisering program använder du "punkten coordinåt filen "inmatningsalternativ, särskilja atomtyper av färg och välj en axel rutnät gräns för fältet.
- Mät avstånd i vårens modeller och göra en skiva av dem.
- Jämför mätdata mot önskade fjäderdimensioner och verifiera vår modell noggrannhet.
4. Använda NanospringCarver Resultat i MD Drag Simuleringar av Nanosprings
Följande steg summeras för en vanlig användare att använda fjäder modeller som skapats av NanospringCarver som indata till en konventionell öppen källkod MD koden 32.
- Ladda ner den senaste versionen av öppen källkod MD-programmet Lammps. Mer information finns i tillhörande onlinedokumentation för manualer och exempel.
- Bestäm måtten på den önskade nanospring modell för att förbereda en lämplig initial bulkkvartsglas modell, som redovisas före 18.
- Skapa önskad nanospring modellen använder NanospringCarver MATLAB GUI (se SeÅtgärd 2 ovan).
- Utför drag simuleringar på önskad nanospring, genom att sträcka modell axiellt 11,13,23. Producera en representativ video från nanospring modell sträcks (se Figur 8, nedan, och animerade figur 1) för visualisering och analys. Vetenskapliga resultat angående stress-stammen beteende och stelhet av flera nanospring modeller under spänning har rapporterats på annat håll 23.
Figur 8: Skärmbild av en kiseldioxid nanospring under drag simulering (se även Animerad figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De atomistiska nanoribbon modeller som skapats med den första beräkningsförfarandet (nanoribbons code) och tillhörande mått visas i figur 9. De resulterande nanospring modeller med användning av andra beräkningsförfarandet (nanosprings kod) och tillhörande mått anges i figur 10.
Figur 9. Atomistic modell av en kiselnanoribbon med önskade dimensioner: r (nanoribbon radie) = 1,07 nm, R (radie helix) = 5,37 nm, och p (pitch) = 7,16 nm. Snapshots illustrerar olika vyer av nanostruktur: (a) ovanifrån, (b) sidovy, (c) sidoutsikt med ytterligare rotation, och (d) - (f) diagonala vyer. Den SiO 2 nanoribbon modellen innehåller 3354 atomer. Den totala bandhöjden H är en4,1 nm 23.
Figur 10. Atomistic modell av en kisel nanospring med specificerade mått: r (trådradie) = 1,07 nm, R (radie helix) = 4,29 nm, och p (pitch) = 4,29 nm. Snapshots visar olika vyer av nanospring modell: (a) ovanifrån, (b) sidovy, (c) sidoutsikt med ytterligare framåtrotation, och (d) - (f) diagonala vyer. Den SiO 2 nanospring modell består av 21.246 atomer. Den totala fjäderhöjden H är 14,32 nm 23.
Utbudet av nanoribbon och nanospring mått som genereras med båda koderna var riklig (r <3,75 nm, R <9 nm, och p <12,57 nm). Var och en av ovanstående metoder erbjuder ett unikt sätt att skapa kiseldioxid nanosprings och nanoribbons lämpliga föratomistiska simuleringar. Båda metoderna är flexibel och kan anpassas för att producera olika helixstrukturer oberoende av materialet, vilket gör dem mycket användbara och mångsidiga.
1 Animerad figur . Silica nanospring under drag simulering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Modifiering av den ursprungliga strategin att skapa nanohelical strukturer ledde till utvecklingen av två olika koder för att möjliggöra skapandet av både nanoribbons och nanosprings från en initial bulk kvartsglas MD modell. Kontrollen av kiselnanoribbon och nanospring modellerna fortsatte med olika programpaket 19-20, som bekräftade deras måttnoggrannhet inom mätförmågan av programmen. Jämförelse mellan nanosprings och nanoribbons utfördes också genom att lägga modellerna från olika sidor och vinklar, vilket resulterade i ytterligare geometrikontroll. Båda beräkningsmetoder som utvecklats i detta projekt skapade spiralnanostrukturer i ett distinkt sätt, med ett mervärde på grund av sin skalbarhet för användning med någon bulkmaterial modellstorlek och möjlig användning av modellerings nanohelical strukturer från andra material. De resulterande modellerna som presenteras här visar att det inte finns några påvisbara artefakter (atoms saknas från den önskade nanohelical struktur) genereras med användning av endera metoden. Dessutom de beräkningsmetoder som utvecklats i detta arbete är flexibla för att skapa högerhänta eller vänsterhänta spiralformade nanostrukturer, helt enkelt genom att vända ordningen för sinus och cosinus funktioner som definierar spiralen. Framtida tillämpningar av denna metod kommer att omfatta skalning till större spiralstrukturer som möjliggör utökad parametervariation och utforskning av användning med olika utgångsmaterial.
Begränsningar av denna metod är bland annat dimensions restriktioner för de skapade nanohelices beroende på den initiala bulkkisel modell som används, vilket kan medföra betydande beräkningsresurser som ökar modellstorlek. Som för närvarande genomförs, kommer nanoribbon eller nanospring höjd sträcker sig till storleken på den ursprungliga bulkmodellen. Den första beräkningsmetoden genererar korrekta nanoribbon modeller för en rad parametrar när planen värdet är större än7,16 nm och radien av den skruvlinjeformade tråden är större än 10% av den kortaste dimensionen av "bulk" kiselglasstrukturen. Den andra beräkningsmetoden genererar korrekta nanospring modeller utan parameterbegränsning. Detta är särskilt viktigt för att utföra MD simuleringar där det krävs lättillgängliga atomistiska nanostructural modeller för att undersöka olika storleksförhållanden.
Ett kritiskt steg i protokollet skulle vara att kontrollera om den första användningen av en viss initial MD bulkmaterial modell som det minsta avståndet mellan de närmaste två atomer i modellen har fastställts och input korrekt med de dimensionsparametrar. Dessutom bör man se till att begärda spiralmått inte överstiger bulkmaterial modellmått.
Teknologiska framsteg har underlättat skapandet och karakterisering av komplexa spiralnanostrukturer såsom oxid nanoribbons end nanosprings i laboratoriet. Dessa nanostrukturer har unika egenskaper som kräver grundlig utredning i syfte att förverkliga sin fulla potential för olika tillämpningar. MD studier av det mekaniska beteendet hos dessa spiralformade strukturer kräver flexibla koder som lätt och exakt kan skapa spiralformade nanostrukturer, och därefter använda sig av lämpliga interatomära potentialer och metoder för prognoser simuleringar. För att uppfylla detta första kravet, var noggranna strukturella modelleringskoder utvecklas som kommer att användas för storskaliga MD kompressions simuleringar och experimentell validering.
Denna metod för att skapa MD kiseldioxidglas (icke-kristallina) nanohelical modellerna är betydande, eftersom liknande koder inte lättillgängliga och andra alternativa metoder har fokuserat på kristallina nanostrukturer. Denna modellering arbete har utökats, med de resulterande nanostrukturer som används i MD simuleringsstudier, som har led till en avhandling om den elastiska respons av kiseldioxid glas nanohelices i draglaster 23. Tidseffektiv simulering av nanostrukturer är ett utmanande problem, men nya programmeringstekniker och atomistiska modeller är speciellt att bli viktiga för prediktiva studier. Denna modelleringsteknik vinner snabbt intresse och snabbt blivit en effektiv metod för modeller som kräver högpresterande datorer. Framtida akademiska ansträngningar kommer sannolikt att innefatta en anpassning av dessa koder för att utbilda beräknings forskare och i klassrumsövningar. Utföra MD simuleringar för att studera svaret av spiralformade strukturer för olika lastförhållanden är verkligen möjligt med de här robusta atomistiska modeller. Framgången för framtida tillverkning med hjälp av dessa nanostrukturer som byggstenar kommer att bero på förståelse för deras struktur och egenskaper, med konsekvenser för nanomanipulation och självmonteringsprocesser. Detta arbete isa steg mot att förstå det mekaniska beteendet hos dessa nanostrukturer med hjälp av storskaliga MD simuleringar, vilket kan vara potentiellt användbara för att utforma nanokomponenter för ett stort antal applikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Tim Allis på UC Merced för hans hjälp i det här projektet. NSF-MYNT programmet vid UCM stöds (KAM) i en tidig del i detta arbete. En NSF-Brige utmärkelsen stödde medförfattare (BND och KAM), som ger medel för detta arbete och resekostnader till konferenser.
Forskargruppen vill erkänna främst National Science Foundation för att finansiera detta arbete via en brige utmärkelse. Detta material är baserat på arbete stöds av National Science Foundation i Grant nr 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] |
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).
