Summary
Präzise Modellierung nanohelical Strukturen ist wichtig für Simulations-Vorhersage Studien, die zu neuartigen Anwendungen der Nanotechnologie. Derzeit werden Software-Pakete und Codes bei der Schaffung von atomistischen Helixmodelle beschränkt. Wir präsentieren zwei Verfahren entwickelt, um atomistische nanohelical Modelle für Simulationen zu erstellen, und eine grafische Oberfläche, die Forschung durch Visualisierung zu verbessern.
Abstract
Federartigen Materialien sind in der Natur allgegenwärtig und Interesse an der Nanotechnologie für Energy Harvesting, Wasserstoffspeicher und biologische Sensoranwendungen. Zur vorausschauenden Simulationen wurde es zunehmend wichtig, in der Lage, die Struktur der Nanohelices genau zu modellieren. Um die Wirkung der lokalen Struktur auf die Eigenschaften dieser komplexen Geometrien muss man realistische Modelle entwickeln zu studieren. Bisher sind Software-Pakete eher bei der Schaffung atomistischen Helixmodelle beschränkt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von atomistischen Modellen aus Quarzglas (SiO 2) Nanobänder und nano für Molekulardynamik (MD) Simulationen. Verwendung eines MD-Modell "bulk" Quarzglas, zwei Rechenverfahren, die Form der Nanobänder und nano gerade erstellt werden vorgestellt. Die erste Methode verwendet die AWK Programmiersprache und Open Source-Software, um effektiv zu schnitzen verschiedenen Formen von Siliciumdioxid-Nanobänder aus dem initial Großmodell mit gewünschten Abmessungen und parametrische Gleichungen, um eine Spirale zu definieren. Mit diesem Verfahren kann eine genaue atomistischen Silica-Nanobänder für eine Reihe von Tonhöhenwerten und Abmessungen erzeugt werden. Das zweite Verfahren beinhaltet eine robustere Code, der in der Modellierung nanohelical Strukturen Flexibilität ermöglicht. Dieser Ansatz verwendet einen C ++ Code geschrieben werden, um besonders Pre-Screening-Methoden sowie die mathematischen Gleichungen für eine Helix zu implementieren, was zu einer höheren Präzision und Effizienz bei der Erstellung nanospring Modellen. Verwendung dieser Codes, gut definierte und skalierbare Nanobänder und nano für atomistische Simulationen geeignet effektiv erzeugt werden. Ein Mehrwert in beiden Open-Source-Codes ist, dass sie an unterschiedliche Helixstrukturen, unabhängig von Material zu reproduzieren. Zusätzlich ist ein MATLAB grafische Benutzeroberfläche (GUI) verwendet, zur Verbesserung des Lernens durch Visualisierung und Interaktion für einen allgemeinen Benutzer mit der atomistischen Helical Strukturen. Eine Anwendung dieser Methoden ist die aktuelle Studie von Nanohelices über MD-Simulationen für mechanische Energie Erntezwecken.
Introduction
Helikalen Nanostrukturen werden typischerweise im Labor unter Verwendung von chemischen Dampfabscheidungstechniken 1-2, während neue Ansätze sind in der Literatur 3 gemeldet. Insbesondere nano und Nanobänder wurden aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und vielversprechende Anwendungen in Sensoren, Optik und elektromechanische und fluidische Geräte 4-7 untersucht. Es wurden Syntheseverfahren berichtet, Siliciumdioxid (SiO 2) Nanobänder zu erzeugen, so dass diese Strukturen Potential Baustein Einheiten für hierarchische Systeme. Neuartige Synthese von 3D Kieselsäure nano hat ihre Anwendungen auf Chemoresistoren erweitert, wenn mit ZnO 8 oder Nanopartikel für diagnostische Anwendungen 9-10 beschichtet.
Experimentelle Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Kieselsäure nano und Nanobänder sind knapp, vor allem auf die jeweiligen Einschränkungen in Manipulation und Prüfmethoden und equipment. Untersuchungen der Nanomechanik von Nanostrukturen und nano wurden mit Theorie und Simulationen 11-14 berichtet. Einige Simulationen 13 haben sich auf nanomechanische Verhalten von amorphen nano konzentriert, weil sie Regime durch Experimentieren nicht barriere erkunden. Atomistische Studien von metallischen nano wurden in der Literatur berichtet wurde, um die Größenabhängigkeit der elastischen Eigenschaften 15 zu untersuchen, und in jüngerer Zeit die Nano von Schrauben kristallines Siliciumdioxid-Nanostrukturen. 14 experimentelle Erprobung nanospring Strukturen auch in anderen Materialien, wie Kohlenstoff-Nanostrukturen und Schraubengeführt Kohlen nanocoils 16-17. Trotz versammelt das Wissen so weit, wird ein umfassenderes Verständnis der mechanischen Eigenschaften dieser neuartigen Nanostrukturen für die künftige Nanovorrichtung Herstellungs Anstrengungen erforderlich.
Als MD Studien von Kieselsäure gMädel (nicht-kristalline Kieselsäure) Nanohelices sind noch recht begrenzt, die atomistische Modellierung solcher Strukturen erfordert die Erstellung von kundenspezifischen Codes. Keine andere alternative Methoden zum Erstellen von Quarzglas Helix MD Modelle wurden bisher auf den letzten Literaturrecherche identifiziert. In dieser Arbeit wird ein Bottom-up-Ansatz für die atomistische Modellierung von spiralförmigen Quarzglas Nanostrukturen einschließlich nano und Nanobänder für künftige umfangreiche MD nano Simulationen verfolgt. Der allgemeine Ansatz beinhaltet die Schaffung einer MD "bulk" Quarzglas Modell wie zuvor berichtet 18, und Carving verschiedene spiralförmige Nanostrukturen aus diesem "Bulk" Probe über zwei robuste und anpassungsfähige Computercodes für diesen Zweck entwickelt. Beide Rechenverfahren bieten einen deutlichen Weg zur Nanoband und nanospring Modelle mit großer Effizienz und atomistischen Detail zu erstellen; Diese Strukturen sind geeignet für große atomistische Simulationen.Darüber hinaus wird eine kundenspezifische grafische Benutzeroberfläche zur Erstellung und Darstellung der Helixstrukturen zu erleichtern.
Die Struktur der "bulk" Quarzglas Modell wird zunächst bei Raumtemperatur hergestellt. Groß MD-Simulationen werden zu diesem Zweck mit der Garofalini geführt interatomare Potential ähnlich früheren Studien 18, die rechnerisch und für große Systeme geeignet relativ effizient ist. Die anfängliche "bulk" Quarzglas Struktur besteht aus einem kubischen Modell (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), die 192.000-Atomen enthält. Die "bulk" Quarzglas-Modell wird bei 300 K für 0,5 nsec äquilibriert, um den Anfangszustand mit periodischen Randbedingungen zu erhalten.
Zwei Rechenprozeduren sind so konzipiert und genutzt, um atomistische Silica Nanoband und nanospring Modelle erstellen. Die erste Methode beinhaltet Carving Silica-Nanobänder ausdie "bulk" Struktur mit Hilfe der parametrischen Gleichungen, die eine Helix zu definieren und seine Geometrie (Tonhöhe, Radius von Helix und Drahtradius). Dieses Verfahren schließt mit der AWK-Programmiersprache, dem Betriebssystem Linux und Open-Source-Visualisierungssoftware 19. Die allgemeine iterative Prozedur atomistischen Modellen von Nanobänder erzeugen beinhaltet: (1) Auswählen eines Atom im "bulk" Quarzglas-Modell, (2) die Berechnung der Entfernung von dem ausgewählten Atom, an einem Punkt im Raum auf einem vordefinierten Schraubenfunktion, (3) Vergleich dieses Abstandes mit dem Radius des gewünschten Nanoband, und (4) das Verwerfen oder halten das Atom in einen Ausgangsdatenmodell. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material enthalten. Mit dieser Methode wurden mehrere Silica-Nanobänder mit unterschiedlicher Steigung, Radius von Helix und Nanoband Radiuswerte, die anschließend gemessen wurden geschaffenfür Genauigkeit gegen den gewünschten Dimensionswerte mit molekularen Analyse und Visualisierungssoftware 19-20. Atomistischen Modellen von Siliciumdioxid-Nanobänder wurden mit funktionellen Geometrien (hohe Werte von Pech und niedrige Werte von Nanoband Radius) erzeugt. Einige Artefakte, die aus in Fehler ausgeschlossen Stoffatomen, die zu einer weniger glatten Oberfläche Nanoband, wurden bei extrem hohen Nanoband Radiuswerte und sehr niedrige Steigungswerte beobachtet. Ähnliche Verfahren sind in den Prozess der Erstellung Silica-Nanodrähte 21-23 verwendet.
Die zweite hier vorgestellte Verfahren beinhaltet Carving Kieselsäure nano vom "bulk" Siliziumdioxidstruktur durch Implementierung Pre-Screening Methoden, um die Effizienz zusätzlich für eine Helix zu erhöhen, um die mathematischen Gleichungen. Dieses Verfahren benötigt die Schaffung eines robusteren C ++ Code, um eine größere Flexibilität bei der Modellierung dieser spiralförmigen Nanostrukturen zu ermöglichen. Die iterative Methode Atomis erstellentic Modelle von nano umfasst: (1) Verwerfen aller Atome garantiert außerhalb der schraubenförmigen Bahn fallen, (2) determinis Auswählen eines Punktes auf der schraubenförmigen Bahn (3) Vergleichen aller Atome in einem bestimmten Abstand zu diesem ausgewählten Punkt und (4 ) Entsorgen oder Lagern jedes Atom in einem Ausgabedatenmodell. Eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung für dieses Verfahren ist auch in den Scalable Open-Source Codes ergänzendes Material. Mit dieser Methode mehrere Kieselsäure nanospring Modelle wurden mit unterschiedlichen Abmessungen (Drahtradius, Radius der Helix und Tonhöhe nanospring) erhalten, wie enthalten in Abbildung 1 dargestellt. Hochpräzise Kieselsäure nanospring Modelle wurden effizient mit diesem Verfahren erhalten, ohne Anzeichen von Artefakten bei extremen gefunden (niedrig und hoch) Tonhöhenwerte für das nanospring. Die Erstellung und Verwendung der grafischen Benutzerschnittstelle für dieses Verfahren ist in dem Protokoll beschrieben.
Fig. 1: Eine allgemeine Helixstruktur, die charakteristische Abmessungen, wobei R, R und p die Drahtradius, der Radius der Helix, und die Tonhöhe bzw. H die Gesamthöhe der helikalen Struktur 23.
Dieses Protokoll beschreibt, wie die NanospringCarver Dateien vorzubereiten, läuft MATLAB 24 auf einem Linux-PC 25, und verwenden Sie eine grafische Benutzeroberfläche zur atomistischen nanospring Modelle vorzubereiten. Diese bisher nicht Modelle dienen als Grundlage für neuartige Molekulardynamik (MD) Simulationen 23 zu Materialien Innovationsforschung.
Die allgemeine Schritt-für-Schritt-Verfahren zur atomistischen nanospring Modelle erstellen beinhaltet mit den folgenden Elementen: (a) NanospringCarver (. V 0.5 beta) Code (Open-sauerce in C ++), (b) Groß Quarzglas Modell (Input-Datei), (c) MATLAB GUI-Schnittstelle und die zugehörigen Dateien, und (d) MATLAB-Software (Version 7) mit einer lokalen Lizenz auf einem Linux-PC. Items (a) - (c) oben (NanospringCarver Code, Quarzglas Modell, MATLAB GUI-Dateien) sind frei, Online-26 herunterladen. MATLAB (Matrix Laboratory) ist ein High-Level-Sprache für numerische Berechnungen, Visualisierung und Anwendungsentwicklung von MathWorks 24, die vor allem für die Datenvisualisierung und Analyse, Bildverarbeitung und Bioinformatik verwendet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Vorbereiten NanospringCarver Dateien und Starten von MATLAB auf einem Linux-PC
Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer entwickelt, um die Verwendung der Dateien online 26 vorzunehmen.
- Entpacken Sie die Datei nanosprings.tar.gz Archiv in das "Home" oder einer anderen bevorzugten Verzeichnis.
- Laden Sie die nanosprings.tar.gz Dateiarchiv aus dem Web Repository 26.
- Suchen Sie die heruntergeladene Archiv und verschieben Sie sie in einer bevorzugten Arbeitsverzeichnis mit dem Titel "Dokumente / nano".
- Rechts-Klick nanosprings.tar.gz und wählen Sie "hier entpacken" aus dem Rechtsklick-Kontextmenü.
- Überprüfen Sie, ob alle erforderlichen Dateien im aktuellen Verzeichnis vorhanden sind. Eine Liste dieser Dateien und deren Zweck folgt:
Makefile - Compile-Datei für nanosprings.cpp und Point.cpp manuell verwaltet
Nanosprings.fig -MATLAB GUI Interna
Nanosprings.m -MATLAB GUI-Code
Point.cpp - Point (Atom) Klassendefinition
Point.h - Point (Atom) Klassenheader
schnitzen - Stand-alone-nano ausführbaren
example.par - Beispiel-Parameterdatei
glasscube.inp - glasscube Datendatei
nanosprings.cpp - Hauptnano Code
nanosprings_diagram.jpg - Beispiel nanospring zur Anzeige
nanospringsmex.cpp - MATLAB integrierten nanosprings.cpp
nanospringsmex.mexglx - MATLAB integrierte nano ausführbaren
Hinweis: Der Benutzer muss die "nanospringsmex.mexglx" ausführbare Datei für die jeweilige Linux-Rechner verwendet wird (32-Bit-Version in diesem Beispiel) erstellen. Wenn dies noch nicht geschehen ist, prüfen Sie den Zugriff auf die MATLAB "mex" Compilerindem Sie auf der Kommandozeile ", die mex" und Überprüfung der Existenz des Programms. Überprüfen Sie auch Zugriff auf die MATLAB-Programm, indem Sie auf der Kommandozeile ", die MATLAB". Verwenden einer Befehlszeile auf "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" geben die "nanospringsmex.mexglx" ausführbare MATLAB integrierten NanospringCarver Datei zu erzeugen, wie in der Anleitung unten. Obwohl nicht für die GUI-Schnittstelle erforderlich ist, können Sie falls gewünscht ein Stand-alone-Version des NanospringCarver Programm durch Eingabe von "make" in einer Befehlszeile erstellt werden. Dies wird die nanosprings.cpp und Point.cpp Programmelemente zusammen kompilieren, um die "schnitzen" ausführbare Datei zu erstellen. In diesem Tutorial, der "glasscube.inp" Datei enthält Positionsinformationen für 192.000 Silicium- und Sauerstoffatomen representin ga Quarzglas-Modell, wobei jede Zeile ein Atom enthält, ID, Atomtyp und x, y, z-Koordinaten für das Atom. Die erste Zeile der Datei ist die Gesamtatomzahl (192.000). Die Atomkoordinaten in dieser Datei sind relative Werte, die, wenn sie von 0,716 multipliziert würde Nanometer große Entfernungen übermitteln. - Auf dem Desktop, öffnen Sie ein Terminal-Fenster. Auf vielen Linux-Versionen erreichen dies durch gleichzeitiges Drücken der "Strg", "Alt" und Schlüssel "T".
- Ändern Sie das Verzeichnis in den Ordner, in den die nanoProjektDateien wurden von Tipp extrahiert:
cd Documents / nano / - Als nächstes führen Sie den Befehl, um die binäre für das System durch Typisierung zu kompilieren:
mex nanospringsmex.cpp Point.cpp - Weiter zu initiieren MATLAB durch Eingabe von MATLAB auf der Kommandozeile
2. Ändern und über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) mit dem NanospringCarver Programm
ove_content "> Gehen Sie folgendermaßen mit den Dateien online 26 vorgesehen.- Öffnen Sie die Führung in MATLAB durch Anklicken des GUIDE Symbol in der oberen linken Leistenbereich (Abbildung 2), um ein neues Fenster mit dem GUIDE schnellen Start (Abbildung 3) anzuzeigen.
Abbildung 2: MATLAB Benutzeroberfläche zeigt, wie MATLAB GUIDE öffnen.
Abbildung 3: MATLAB GUIDE Schnittstelle Initialisierung.
- Verwenden Sie die "Open Existing GUI" Registerkarte (Abbildung 4), um eine bestehende Figur ändern. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Durchsuchen", um für die bestehende GUI suchenAbbildung modifiziert werden. Nachdem Sie die Zahl Datei (Nanosprings.fig, siehe blaue Box), klicken Sie auf "Öffnen" auf beiden Fenstern, die ein neues Fenster mit der GUI Abbildung anzuzeigen. Suchen Sie die Tasten zur Verfügung für GUI-Erstellung auf der linken Seite (Abbildung 5) verwendet werden.
Abbildung 4: MATLAB GUIDE-Schnittstelle zeigen, wie man eine bestehende GUI Figur Datei zu öffnen.
Abbildung 5: MATLAB GUIDE Schnittstelle zeigt Werkzeuge zum Ändern eines vorhandenen GUI Figur.
- Um die GUI auszuführen, klicken Sie auf "Ausführen" im Rahmen der "Menü Extras ". Dann klicken Sie auf "Ja", wenn ein Pop-up-Fenster aufgefordert, ob die Figur vor dem Ausführen zu speichern. Ein neues Fenster zeigt die modifizierte GUI.
- Erstellen Sie gegebenenfalls eine andere GUI für einen anderen spezifischen Materials mit diesen GUI als Beispiel.
- So richten Sie das Beispiel auszuführen, klicken Sie zuerst auf den Button "Select Input Modelldatei" an der Spitze der GUI und navigieren Sie zu der Datei "glasscube.inp". Wählen Sie diese Datei und klicken Sie auf "Öffnen", um das Browser-Fenster zu schließen. Die ausgewählte Eingabedatei und den Pfad, um es sollte nun in der GUI-Fenster erscheint auf der rechten Seite der "Selected Eingabemodelldatei" (Bild 6).
Abbildung 6: Screenshot der Verwendung GUI, um ein Beispiel Kieselsäure nanospring Modell erstellen.
- Als Nächstes verwenden Sie die Schaltfläche "Durchsuchen" im Abschnitt "Output-Modell" zu suchen und wählen Sie das Verzeichnis, um das Ausgangsmodell in speichern. Stellen Sie sicher, dass die Ausgabe-Verzeichnis wird aktiv, um für den Lauf ausgewählt aktiviert sein, auch wenn es ein Ausgabeverzeichnis bereits in der Begleit Fenster auf der rechten Seite dieses Buttons aufgelistet.
Hinweis: Die "Erweiterte Parameter Mindestabstand" Wert aufgeführt (0.209311 in Abbildung 6) wurde speziell für die "glasscube.inp" Eingabedatei in diesem Beispiel bereitgestellt berechnet und sollte so belassen werden. Dieser Wert kann bei Bedarf bei der ersten Verwendung eines anderen Eingabedatei, indem Sie einen Wert von "0" in diesem Ort, bevor Sie das Modell berechnet werden. In diesem Beispiel sind alle Parameterwerte in relativen Einheiten bezogen auf den Eingangs entsprechen Atomkoordinatensystem. Wenn von 0,716 multipliziert die Parameterwerte würden Nanometer große Entfernungen übermitteln. </ Li> - Führen Sie das Beispiel mit den gegebenen Federparameter von r = 1,0, R = 5,0, p = 1,5 und d = 0,209311 durch Drücken der GUI Schaltfläche "Ausführen". Ansehen Feedback von der Flucht in der MATLAB-Kommandofenster (Abbildung 7). In der Rückmeldung, ob die Federparameter bestätigt werden, dass die Eingabedatendatei erfolgreich gelesen, und die Ergebnisse in der Ausgabedatei mit dem Namen gespeichert "Modell" beschrieben.
Abbildung 7: MATLAB Befehlsfenster Feedback von GUI-basierten nanoLauf.
Hinweis: Im obigen Beispiel wird die Datei "Modell" enthält 5176 Atomen, die die gewünschte Feder, eine pro Zeile, mit der ersten Zeile geben Sie die Gesamtzahl der Atomein der Datei. Jede Linie, die ein Atom enthält, das Atom ID, Atomtyp und x, y, z Koordinaten dieses Atom.
- Sobald die GUI-Schnittstelle abgeschlossen ist, führen aufeinanderfolgenden Durchläufen durch einen Rechtsklick auf "Nanosprings.m" in der MATLAB "Current Folder" Fenster, und wählen Sie "Ausführen", um die GUI-Schnittstelle direkt aufzurufen.
Hinweis: Verschiedene Referenzen aufgelistet 27-31 für zusätzliche Informationen über MATLAB GUIDE und dem Grund GUIDE Schnittstelle.
3. Überprüfen NanospringCarver Ergebnisse in einem Open-Source-Visualizer 19
Die folgenden Schritte sind für einen allgemeinen Benutzer zu visualisieren und überprüfen Sie die Ausgabe Frühjahr Modelle erstellt von NanospringCarver gestaltet.
- Verwenden Sie die NanospringCarver MATLAB GUI, wie oben beschrieben, um Dateien zu erzeugen für die Eingabe in das Visualisierungsprogramm 19. Bei der Ausführung des Visualisierungsprogramm, verwenden Sie den "point Coordinate file "Eingabemöglichkeit, unterscheiden Atomtypen nach Farbe, und wählen Sie eine Achse Rasterrahmen für das Feld.
- Entfernungen messen in den Federmodelle und eine Aufzeichnung von ihnen.
- Vergleichen Sie Messdaten gegen gewünschten Federabmessungen und überprüfen Federmodellgenauigkeit.
4. Mit NanospringCarver Ergebnisse in MD Zug Simulationen von nano
Folgende Schritte sind für eine allgemeine Benutzer die Frühjahr Modelle als Eingabe erstellt von NanospringCarver zu einem herkömmlichen Open-Source-MD-Code 32 verwenden zusammengefasst.
- Laden Sie die neueste Version der Open-Source-MD-Programm LAMMPS. Siehe entsprechende Online-Dokumentation für Handbücher und Beispiele.
- Bestimmen Sie die Maße des gewünschten nanospring Modell, um den entsprechenden Anfangsgroß Quarzglas Modell vorzubereiten, als vor 18 gemeldet.
- Erstellen Sie die gewünschte nanospring Modell mit dem NanospringCarver MATLAB GUI (siehe Section 2 oben).
- Führen Zug- Simulationen auf den gewünschten nanospring, durch Strecken der Modell axial 11,13,23. Produzieren eine repräsentative Video nanospring Modell gestreckt (siehe Abbildung 8, unterhalb und Animations Abbildung 1) zur Visualisierung und Analyse. Forschungsergebnisse in Bezug auf die Spannungs-Dehnungs-Verhalten und Steifigkeit von mehreren nanospring Modelle unter Spannung wurden an anderer Stelle 23 angegeben.
Abbildung 8: Screenshot einer Kieselsäure nanospring während Zug- Simulation (siehe auch animierte Figur 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Atomistischen Nanoband-Modelle mit der ersten Rechenverfahren (Nanobänder Code) erzeugt und ihre zugehörigen Maße sind in 9 gezeigt. Die resultierenden nanospring Modelle unter Verwendung der zweiten Berechnungsverfahren (nano code) und die zugehörigen Abmessungen sind in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 9. Atomistische Modell eines Silica Nanoband mit gewünschten Abmessungen: r (Nanoband Radius) = 1,07 nm, R (Radius der Helix) = 5,37 nm und p (Pitch) = 7,16 nm. Snapshots illustrieren verschiedene Ansichten der Nanostruktur: (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht, (c) Seitenansicht mit zusätzlichen Rotation, und (d) - (f) Diagonalblick. Die SiO 2 Nanoband Modell enthält 3354 Atomen. Der Gesamtband Höhe H 14.1 nm 23.
Abbildung 10. Atomistische Modell eines Silica nanospring mit festgelegten Abmessungen: r (Drahtradius) = 1,07 nm, R (Radius der Helix) = 4,29 nm und p (Pitch) = 4,29 nm. Schnappschüsse zeigen verschiedene Ansichten der nanospring Modell: (a) Draufsicht, (b) Seitenansicht, (c) Seitenansicht mit zusätzlichen Vorwärtsdrehung, und (d) - (f) Diagonalblick. Die SiO 2 nanospring Modell besteht aus 21.246 Atomen. Die Gesamtfederhöhe H ist 14,32 nm 23.
Der Bereich der Nanoband und nanospring Abmessungen mit beiden Codes generiert war reichhaltig (r <3,75 nm, R <9 nm und p <12.57 nm). Jedes der obigen Verfahren bietet eine einzigartige Möglichkeit, Siliciumdioxid und nanoNanoBänder geeignet erstellenatomistischen Simulationen. Beide Methoden sind flexibel und an unterschiedliche Helixstrukturen unabhängig von dem Material, das sie sehr nützliche und vielseitig macht erzeugen.
Animierte Abbildung 1 . Silica nanospring während Zug- Simulation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Änderung der ursprünglichen Ansatz zur nanohelical Strukturen führte zur Entwicklung von zwei unterschiedlichen Codes, um die Erstellung der beiden Nanobändern und nano von einem Anfangsgroß Quarzglas MD-Modell ermöglichen erstellen. Die Verifikation der Kieselsäure Nanoband und nanospring Modellen wurde mit verschiedenen Softwarepaketen 19-20, die ihre Dimensionsgenauigkeit innerhalb der Messfähigkeit der Programme bestätigt verfolgt. Vergleich zwischen nano und Nanobändern wurde auch durch die Überlagerung der Modelle von verschiedenen Seiten und Winkel, die in zusätzliche Geometrieprüfung resultierte geführt. Beide in diesem Projekt erstellt Helixnanostrukturen in einer deutlichen Weise mit Mehrwert entwickelt Rechenmethoden aufgrund ihrer Skalierbarkeit für den Einsatz mit jedem Schüttgut Modellgröße und mögliche Verwendung bei der Modellierung nanohelical Strukturen aus anderen Materialien. Die resultierenden Modelle hier präsentierten zeigten keine nachweisbaren Artefakte (aToms fehlt in der gewünschten nanohelical Struktur) erzeugt mit beiden Methoden. Darüber hinaus sind die in dieser Arbeit entwickelt Rechenverfahren für die Erstellung flexibler rechtshändig oder linkshändig spiralförmigen Nanostrukturen durch einfaches Umkehren der Reihenfolge der Sinus- und Kosinus-Funktionen definiert, die Helix. Zukünftige Anwendungen dieser Methode wird auch die Skalierung auf größere Helixstrukturen ermöglicht erweiterte Parametervariation, und Exploration von Einsatz mit unterschiedlichen Ausgangsmaterialien.
Grenzen dieser Methode gehören dimensionalen Einschränkungen der erstellt Nanohelices je nach Ausgangs Siliciumdioxid als Modell verwendet werden, die erhebliche Rechenressourcen mit zunehmender Modellgröße einbeziehen können. Wie sie derzeit durchgeführt, wird die Nanoband oder nanospring Höhe der Größe der ursprünglichen Schütt Modell erweitern. Die erste Rechenmethode erzeugt genaue Nanoband Modelle für eine Reihe von Parametern, wenn der Pitch-Wert größer ist7,16 nm und der Radius des spiralförmigen Drahtes größer ist als 10% der kürzesten Abmessung des "Bulk" Quarzglasstruktur. Die zweite Rechenverfahren erzeugt genaue nanospring Modelle ohne Parameterbegrenzung. Dies ist besonders wichtig für die Durchführung von MD-Simulationen, wo leicht verfügbar atomistischen Nanostrukturmodelle benötigt werden, um unterschiedliche Größe Bedingungen zu untersuchen.
Ein kritischer Schritt im Protokoll wäre, bei der ersten Verwendung eines bestimmten Anfangs MD Schüttgut-Modell, das der Mindestabstand zwischen den nächsten zwei Atome im Modell wurde mit den Abmessungsparametern bestimmt und Eingangs korrekt verifiziert. Zusätzlich sollte darauf geachtet werden, dass spiralförmigen Abmessungen angefordert haben das Schüttgut Modell Maße nicht überschreiten.
Technologische Fortschritte haben die Erstellung und Charakterisierung komplexer Helixnanostrukturen wie Oxid-Nanobänder eine erleichterted nano im Labor. Diese nanoskaligen Strukturen haben einzigartige Eigenschaften, die gründliche Untersuchung, um ihr volles Potenzial für verschiedene Anwendungen zu realisieren benötigen. MD Studien des mechanischen Verhaltens dieser Helixstrukturen erfordern flexible Codes, die leicht und präzise erzeugen können schraubenförmige Nanostrukturen und anschließend nutzen entsprechenden inter Potentiale und Verfahren zur prädiktiven Simulationen. Um diese erste Anforderung zu erfüllen, wurden genaue Strukturmodellierung Codes entwickelt, die für Groß MD Kompressions Simulationen und experimentelle Validierung verwendet wird.
Diese Methode der Erstellung von MD Quarzglas (nichtkristallinen) nanohelical Modellen signifikant ist, als ähnliche Codes nicht ohne weiteres verfügbar und andere alternative Ansätze auf kristallinen Nanostrukturen konzentriert. Diese Modellierungsaufwand wurde erweitert, mit den daraus resultierenden Nanostrukturen in MD Simulationsstudien verwendet, die l habened, um einer Arbeit konzentrierte sich auf die elastische Reaktion aus Quarzglas Nanohelices unter Zugbelastungen 23. Zeiteffiziente Simulation von Nanostrukturen ist ein schwieriges Problem, aber neue Programmiertechniken und atomistische Modelle werden vor allem immer wichtig für prädiktive Studien. Diese Modellierungstechnik gewinnt schnell an Interesse und schnell zu einem effizienten Verfahren für die Modelle, die High Performance Computing erfordern. Zukünftige akademische Bemühungen wird wahrscheinlich auch auf die Anpassung dieser Codes für die Ausbildung Rechen Forscher und im Klassenzimmer Übungen. Darstellende MD-Simulationen, um die Reaktion von Helixstrukturen zu unterschiedlichen Belastungsbedingungen zu studieren ist sicherlich machbar mit diesen robusten atomistischen Modellen. Der Erfolg der zukünftigen Fertigungs Verwendung dieser Nanostrukturen als Bausteine auf Verständnis ihrer Struktur und Eigenschaften hängen, mit Auswirkungen auf die Nanomanipulation und Selbstorganisationsprozesse. Diese Arbeit isa Schritt zum Verständnis des mechanischen Verhaltens solcher Nanostrukturen mit großen MD-Simulationen, die potentiell nützlich für die Gestaltung von Nanosystemen für eine Vielzahl von Anwendungen sein kann.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Acknowledgments
Die Autoren wollen Tim Allis für seine Unterstützung bei diesem Projekt danken an der UC Merced. Die NSF-MÜNZEN-Programm an der UCM unterstützt (KAM) in einem frühen Teil dieser Arbeit. Eine NSF-BRIGE Auszeichnung unterstützt Co-Autoren (BND und KAM), die Bereitstellung von Mitteln für diese Arbeit und Reisekosten zu Konferenzen.
Die Forschungsgruppe möchte vor allem die National Science Foundation für die Finanzierung dieser Arbeit über eine BRIGE Auszeichnung anzuerkennen. Dieses Material basiert auf der Arbeit von der National Science Foundation unter Grant No 1032653 unterstützt wird.
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).
