Öngörülü Çalışmaları Ölçeklenebilir Nanohelices ve Geliştirilmiş 3D Görselleştirme

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Nanohelical yapıların doğru modelleme yeni nanoteknoloji uygulamaları öncüsü akıllı simülasyon çalışmaları için çok önemlidir. Şu anda, yazılım paketleri ve kodları atomistiktir sarmal modeller yaratarak sınırlıdır. Biz simülasyonları için atomistiktir nanohelical modeller yaratmak için tasarlanmış iki süreçleri sunmak ve bir grafik arayüz görselleştirme sayesinde araştırmalarını geliştirmek için.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Davila, L. P. Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. J. Vis. Exp. (93), e51372, doi:10.3791/51372 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Yay gibi malzemeler doğada ve enerji hasat, hidrojen depolama ve biyolojik algılama uygulamaları için nanoteknoloji ilgi her yerde vardır. Prediktif simülasyonları için, doğru bir nanohelices yapısını modellemek edebilmek için giderek daha önemli hale gelmiştir. Realist bir model geliştirmek gerekir bu karmaşık geometrilerin özelliklerine yerel yapının etkisini araştırmak. Bugüne kadar, yazılım paketleri yerine atomistiktir sarmal modeller yaratarak sınırlıdır. Bu çalışma, moleküler dinamik (MD) simülasyonlar için atomistiktir silis cam modelleri (SiO 2) nanoribbons ve nanosprings üreten odaklanmaktadır. "Toplu" silika camı, iki hesaplama prosedürlerinin bir MD modeli kullanılarak hassas nanoribbons ve nanosprings şeklini oluşturmak için sunulmaktadır. İlk yöntem etkili i silis nanoribbons çeşitli şekiller bölmek için AWK programlama dili ve açık kaynak yazılım kullanırBir helis tanımlayabilirsiniz istenen boyutları ve parametrik denklemlerini kullanarak nitial toplu modeli. Bu yöntemle, kesin atomlarla silika nanoribbons eğim değerlerinin ve boyutlara sahip bir dizi için oluşturulabilir. İkinci yöntem, modelleme nanohelical yapılarında esnekliğe izin verir, daha güçlü bir kodu içerir. Bu yaklaşım özellikle nanospring modellerini oluştururken daha hassas ve verimliliği ile sonuçlanan, ön-tarama yöntemleri yanı sıra bir sarmalın için matematiksel denklemler uygulamak için yazılmış bir C ++ kodu kullanır. Bu kodları kullanarak, iyi tanımlanmış ve atomlarla simülasyonları için uygun ölçeklenebilir nanoribbons ve nanosprings etkili oluşturulabilir. Hem açık kaynak kodları bir katma değer materyalden bağımsız farklı sarmal yapıları, yeniden adapte edilebilir olmasıdır. Buna ek olarak, MATLAB grafik kullanıcı arayüzü (GUI) atomlarla helikopter ile genel kullanıcı için görselleştirme ve etkileşim yoluyla öğrenme geliştirmek için kullanılırcal yapılar. Bu yöntemlerden biri de uygulama mekanik enerji hasat amaçlı MD simülasyonları ile nanohelices ve son çalışmadır.

Introduction

Yeni yaklaşımlar literatürde 3'te da bildirilmiştir sarmal nano tipik haliyle, kimyasal buhar çöktürme teknikleri 1-2 kullanılarak laboratuarda üretilmiştir. Özellikle nanosprings ve nanoribbons nedeniyle farklı özellikleri ve sensörler, optik ve elektromekanik ve akışkan sistemlerin 4-7 umut verici uygulamaları incelenmiştir. Sentez yöntemleri hiyerarşik sistemler için yapıları olası yapı bloğu birimleri yapmak için, silis (SİO2) nanoribbons üretmek için bildirilmiştir. Teşhis uygulamaları 9-10 için ZnO 8 veya nanopartiküller ile kaplandığında 3D silika nanosprings Roman sentezi chemiresistors için uygulamalarını genişletti.

Silika nanosprings ve nanoribbons mekanik özellikleri üzerinde deneysel çalışmalar öncelikle nedeniyle manipülasyon ve test yöntemleri ve equipme mevcut sınırlamalar, kıtnt. Nanoyapılarda ve nanosprings ve nanomekanik soruşturmalar teorisi ve simülasyonları 11-14 olarak bildirilmiştir. Onlar deneyler yoluyla tamamen erişilebilir rejimleri keşfetmek çünkü bazı simülasyonlar 13 amorf nanosprings arasında nanomekanik davranışı üzerinde odaklanmıştır. Metalik nanosprings Atomistik çalışmaları elastik özelliklerin 15 boyutu bağımlılığı araştırmak için literatürde rapor edilmiştir, ve daha yakın helezon kristalli silis nano nanomekanik 14. Nanospring yapıların deneysel testleri, aynı zamanda, helis karbon nanoyapılarda ve farklı malzemeleri gerçekleştirilmiştir Karbon nanocoils 16-17. Bilgi, şimdiye kadar elde olmasına rağmen, bu yeni nano mekanik özelliklerinin daha tam bir anlaşılması, gelecekteki nanodevice imalat çalışmaları için gereklidir.

MD çalışmaların silika g olarakkız (non-kristalin silis) nanohelices hala oldukça bu tür yapıların atomlarla modelleme özel kodlarının oluşturulmasını, sınırlıdır. Silis camı sarmal MD modelleri yaratma başka hiçbir alternatif yöntemler son literatür araştırması üzerine şimdiye kadar tespit edilmiştir. Bu çalışmada, nanosprings ve nanoribbons dahil sarmal silis cam Nanoyapısının atomlarla modelleme için aşağıdan yukarıya yaklaşımı, gelecekteki büyük ölçekli MD nanomekanik simülasyonları izlenmektedir. Daha önce 18 rapor ve bu amaçla geliştirilen iki güçlü ve uyarlanabilir bilgisayar kodları ile bu "toplu" örnek çeşitli sarmal nanoyapıları dışarı oyma gibi genel bir yaklaşım MD "dökme" silis camı modelinin oluşturulmasını içerir. Her iki hesaplama prosedürleri büyük verimlilik ve atomlarla ayrıntı ile nanoribbon ve nanospring modelleri oluşturmak için farklı bir yol sunar; Bu yapılar, büyük çaplı bir atomik analizi için uygun bulunmaktadır.Buna ek olarak, grafik kullanıcı arayüzü helis yapıların oluşturulması ve görselleştirme kolaylaştırmak için kullanılır.

"Dökme" silis camı modelin yapısı, başlangıçta oda sıcaklığında oluşturulur. Büyük ölçekli MD simülasyonları Garofalini kullanarak bu amaçla yapılmaktadır atomlararası hesaplama ve büyük sistemler için uygun nispeten verimlidir önce yapılan çalışmaların 18, benzer potansiyel. İlk "dökme" silis cam yapı 192.000 atomu içeren bir kübik modeli (3 14.3 x 14.3 x 14.3 nm) oluşur. "Dökme" silisli cam modeli periyodik sınır koşulları kullanılarak başlangıç ​​durumunu elde etmek için 0,5 NSEC 300 K dengelenir.

İki hesaplama prosedürleri tasarlanmış ve atomist silika nanoribbon ve nanospring modelleri oluşturmak için kullanılmaktadır. İlk yöntem, silis nanoribbons dışarı oyma içerirBir helis tanımlayabilirsiniz parametrik denklemleri kullanarak "toplu" yapısı ve geometrisi (zift, sarmalın yarıçapı, ve tel yarıçapı). Bu prosedür AWK programlama dili, LINUX işletim sistemi ve açık kaynak görselleştirme yazılımları 19. kullanarak içerir. Nanoribbons Atomistik modellerini oluşturmak için, genel yinelemeli prosedürü şunları içerir: (1) (2), önceden belirlenmiş bir helezoni bir fonksiyonu uzayda bir noktaya seçilen atomundan mesafenin hesaplanması, "dökme" silis camı modelinde bir atom seçerek (3) istenen nanoribbon yarıçapına bu mesafe karşılaştırarak, ve (4) atmadan veya bir çıkış veri modelindeki atomunu tutmak. Bu yöntem için ayrıntılı adım adım açıklaması Ölçeklenebilir Açık Kaynak Kodları Ek Malzeme dahildir. Bu yöntem ile, bir kaç silika nanoribbons ardından ölçüldü farklı perde, helezon ve nanoribbon yarıçapı değerleri yarıçapı kullanılarak oluşturulanmoleküler analiz ve görselleştirme yazılımı 19-20 ile istenen boyutsal değerlere karşı hassasiyet için. Silika nanoribbons Atomistik modelleri fonksiyonel geometrilerin (zift yüksek değerleri ve nanoribbon yarıçapı düşük değerleri) ile elde edilmiştir. Bazı eserler, hata dahil atomlarından oluşan bir şekilde daha az pürüzsüz nanoribbon bir yüzeye yol açacak, son derece yüksek bir nanoribbon yarıçap değerleri ve son derece düşük bir adım değerlerinde gözlendi. Benzer yöntemler, silika nanotelleri 21-23 oluşturma sürecinde kullanılmaktadır.

Burada sunulan ikinci yöntem sarmalın için matematiksel denklemlere ek olarak etkinliğini artırmak için ön-tarama yöntemleri uygulayarak "toplu" silika yapısı silika nanosprings dışarı oyma içerir. Bu prosedür, bu sarmal nanoyapıları modelleme daha fazla esneklik sağlamak için daha sağlam bir C ++ kodu oluşturma zorunlu. Yineleme yöntemi atomis oluşturmak içinnanosprings atması modelleri içerir: (1) sarmal yolun dışında kalan garantili bütün atomları atarak, (2) deterministically sarmal yolun bir noktayı seçerek, (3) Bu seçilen noktaya belli bir mesafeden bütün atomları karşılaştırarak, ve (4 ) atmadan veya bir çıkış veri modelinde her atomun depolamak. Bu yöntem için bir adım-adım bir açıklaması da yazmak Malzeme. Bu yöntemle, birkaç silis nanospring modelleri değişik boyutları (tel yarıçapı, sarmalın yarıçapı ve nanospring pitch) olarak elde edilmiştir Ölçeklenebilir Açık Kaynak Kodları dahildir Şekil 1'de gösterilmiştir. Son derece hassas silis nanospring modelleri nanospring için (düşük ve yüksek) eğim değerlerinin aşırı buluntular hiçbir kanıt ile, bu yöntem ile verimli olarak elde edilmiştir. Oluşturma ve bu yöntem için grafiksel kullanıcı arabirimi kullanımı Protokol bölümünde tarif edilmektedir.


Şekil 1:. R, R ve p tel yarıçapı, sarmalın yarıçapı ve sahayı temsil karakteristik boyutlarını gösteren genel bir sarmal yapı, İH sarmal yapı 23 toplam yüksekliği göstermektedir.

Bu protokol bir LINUX 25 PC'de MATLAB 24 çalışan, NanospringCarver dosyaları hazırlamak ve atomlarla nanospring modeller hazırlamak için bir grafik kullanıcı arayüzü kullanmayı açıklamaktadır. Bunlar, daha önce mevcut olmayan modeller yeni moleküler dinamikler için temel (MD) malzemeler yenilik araştırma doğru 23 benzeştirme olarak hizmet vermektedir.

Atomistiktir nanospring modeller oluşturmak için genel adım adım prosedürü aşağıdaki unsurları kullanarak içerir: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) kodu (açık-ekşice C ++ dili), (b) Toplu silis cam modeli (giriş dosyası), (c) MATLAB GUI arayüzü ve ilgili dosyaları ve Linux PC üzerinde yerel lisansı kullanarak (d) MATLAB yazılımı (versiyon 7) içinde. Öğeler (a) - (c) '(NanospringCarver kodu, silis cam modeli, MATLAB GUI dosyaları) çevrimiçi 26 indirmek için ücretsiz. MATLAB (Matrix Laboratory) çoğunlukla veri analizi ve görselleştirme, görüntü işleme ve işlemsel biyoloji için kullanılan MathWorks'un 24, gelen sayısal hesaplama, görselleştirme ve uygulama geliştirme için yüksek seviyeli bir dildir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. NanospringCarver Dosyalarının Hazırlanması ve LINUX PC'de MATLAB başlayan

Aşağıdaki adımlar Online 26. dosyalarının faydalanmak için genel bir kullanıcı için tasarlanmıştır.

  1. "Ev" veya başka bir tercih dizine nanosprings.tar.gz dosya arşivi paketinden çıkarın.
    1. Web deposundan 26 nanosprings.tar.gz dosya arşivi indirin.
    2. Indirilen arşiv bulun ve "Belgeler / Nanosprings" başlıklı bir tercih çalışma dizinine taşıyın.
    3. Nanosprings.tar.gz sağ tıklatın ve sağ-tıklama bağlam menüsünden "Burada ayıklamak" seçeneğini seçin.
  2. Gerekli tüm dosyaları geçerli dizinde bulunduğunu doğrulayın. Bu dosyaları ve bunların amacı takip listesi:
    Makefile - elle nanosprings.cpp ve Point.cpp için derleme yönetilen dosyayı
    Nanosprings.fig -MATLAB GUI internals
    Nanosprings.m -MATLAB GUI kodu
    Point.cpp - Nokta (atom) sınıf tanımı
    Point.h - Nokta (atom) sınıf başlık
    oymak - stand-alone nanosprings çalıştırılabilir
    example.par - örnek parametre dosya
    glasscube.inp - glasscube veri dosyası
    nanosprings.cpp - Ana nanosprings kodu
    nanosprings_diagram.jpg - Örnek ekran için nanospring
    nanospringsmex.cpp - MATLAB entegre nanosprings.cpp
    nanospringsmex.mexglx - MATLAB entegre nanosprings çalıştırılabilir
    Not: kullanıcı (bu örnekte 32-bit sürümü), özellikle kullanılan Linux makine için "nanospringsmex.mexglx" yürütülebilir dosya oluşturmak gerekir. Bu henüz bitmiş değilse, MATLAB "mex" derleyici erişimi doğrulamak"mex" komut satırında yazarak ve programın varlığını doğrulayarak. Ayrıca komut satırına "matlab" yazarak Matlabda erişimi doğrulamak. Aşağıdaki talimatlarda gösterildiği gibi, "nanospringsmex.mexglx" çalıştırılabilir MATLAB entegre NanospringCarver dosya yaratacaktır "mex nanospringsmex.cpp Point.cpp" yazmanız için bir komut satırı kullanma. GUI arayüzü için gerekli olmasa NanospringCarver programı bir stand-alone sürümü istenirse, bir komut satırında "make" yazarak oluşturulabilir. Bu "bölmek" yürütülebilir dosya oluşturmak için bir araya nanosprings.cpp ve Point.cpp program elemanlarını derlemek olacaktır. Bu eğitimde, "glasscube.inp" dosya 192.000 silikon ve oksijen atomları temsil eden, için konum bilgilerini içerir ga silis camı modeli, her bir atom numarası içeren bir çizgi, atom tipine, ve x, y ile z atomu koordinatları. Dosyanın ilk satırı, toplam atom sayısı (192.000) 'dir. Bu dosyada atomik koordinatlar nanometre mesafeleri temsil edeceğini 0,716 ile çarpılır ise göreceli değerlerdir.
  3. Masaüstünde, bir terminal penceresi açın. Birçok Linux sürümleri aynı anda, "Alt" ve "T" tuşları "Ctrl" tuşuna basarak bunu gerçekleştirmek üzerinde.
  4. Nanosprings proje dosyaları yazarak çıkarıldı içine klasöre dizini değiştirin:
    cd Documents / Nanosprings /
  5. Sonra, yazarak sistemi için ikili derlemek için komutu çalıştırın:
    mex nanospringsmex.cpp Point.cpp
  6. Sonraki komut satırında matlab yazarak MATLAB başlatmak

2. değiştirme ve NanospringCarver Programa bir Grafik Kullanıcı Arayüzü (GUI) kullanarak

"ove_content> çevrimiçi 26. dosyalarını kullanarak aşağıdaki adımları izleyin.

  1. KILAVUZ hızlı başlatma (Şekil 3) ile yeni bir pencere görüntülemek için, sol üst araç çubuğu alanına (Şekil 2), GUIDE simgesini tıklatarak MATLAB GUIDE açın.

Şekil 2,
Şekil 2: MATLAB GUIDE açmak için nasıl gösteren MATLAB kullanıcı arayüzü.

Şekil 3,
Şekil 3: MATLAB KILAVUZU arayüzü ilk olarak başlatılması.

  1. Varolan bir rakam değiştirmek için "Aç varolan GUI" sekmesini (Şekil 4) kullanın. Mevcut GUI aramak için "Gözat" butonuna tıklayınşekil değiştirilecek. Rakam dosyayı seçtikten sonra GUI figürü ile yeni bir pencere görüntülemek için her iki pencere üzerinde "Open" tıklayın (Nanosprings.fig, mavi kutuya bakınız). Sol paneldeki GUI oluşturma (Şekil 5) kullanılacak düğmeler kullanılabilir bulun.

Şekil 4,
Şekil 4: Varolan GUI rakam dosyasının nasıl açılacağını gösteren MATLAB KILAVUZU arayüzü.

Şekil 5,
Şekil 5: MATLAB KILAVUZU arayüzü mevcut bir GUI rakam değiştirmek için araçlar gösteriliyor.

  1. GUI çalıştırmak için, altında "Çalıştır" tıklayın "Araçlar "menüsü. Bir pop-up penceresi çalıştırmadan önce rakam kaydetmek isteyip sorar Sonra, "Evet" i tıklayın. Yeni bir pencere değiştirilmiş GUI görüntüler.
  2. Gerekirse, bir örnek olarak bu GUI kullanarak farklı bir özel malzeme için başka GUI oluşturmak.
  3. İlk GUI üstündeki "girdi modeli dosyasını seçin" butonuna tıklayın ve "glasscube.inp" dosyasına gidin, örnek çalışmasını ayarlamak için. Bu dosyayı seçin ve tarama penceresini kapatmak için "Aç" a tıklayın. Buna seçilen giriş dosya ve yol artık "Seçili giriş modeli dosyası" butonuna (Şekil 6) sağ GUI penceresinde görünmelidir.

Şekil 6,
Şekil 6: Bir örnek silis nanospring model oluşturmak için GUI kullanarak ekran görüntüsü.

  1. Ardından, göz ve içine çıktı modeli kaydetmek için dizini seçmek için "Çıktı Modeli" bölümünde "Browse" butonunu kullanabilirsiniz. Zaten bu düğmeye sağ eşlik penceresinde listelenen bir çıkış dizini bile olsa, çıkış dizin aktif etkin olması çalıştırmak için sırayla seçili olduğundan emin olun.
    Not: Listelenen "Avans Parametreler Minimum Distance" değeri (Şekil 6 0,209311) Bu örnekte verilen "glasscube.inp" girdi dosyası için özel bilgisayarlı, ve olduğu gibi bırakılmalıdır. Bu değer modelini çalıştırmadan önce bu konumda "0" değerini girerek farklı bir girdi dosyasının ilk kullanımda gerekli bilgisayarlı olabilir. Bu örnekte, her parametre değerleri koordinat sistemi atom olan girişe uygun göre birimlerindedir. 0,716 ile çarpılır ise parametre değerleri nanometre mesafeleri temsil edecekti. </ Li>
  2. GUI "Çalıştır" düğmesine basarak r = 1.0, R = 5.0, p = 1.5, d = 0,209311 verili yay parametreleri kullanarak örnek çalıştırın. MATLAB komut penceresinde vadede görünüm geribildirim (Şekil 7). Geribildirim, giriş veri dosyası başarıyla okuma olduğunu, bahar parametreler teyit olup olmadığını kontrol edin ve adlandırılmış çıktı dosyasında saklanan sonuçlar "model" açıklanmıştır.

Şekil 7,
Şekil 7: GUI tabanlı Nanosprings çalışmadan elde MATLAB komut penceresi geribildirim.

Not: Yukarıdaki örnekte, dosya "model" bir atomlarının toplam sayısı veren ilk satır ile istenen bir yay, satır başına bir tane ihtiva eden 5176 atomu içerendosyasında. Bir atom tanımlayan her satırı atom numarası, atom türü ve x, y, o atomun z koordinatlarını içerir.

  1. GUI arayüzü sonlandırıldığında, MATLAB "Nanosprings.m" "Mevcut Klasör" penceresinde, sağ tıklayarak izleyen ishal yapar ve "Çalıştır" seçerek doğrudan GUI arayüzü getirmek için.
    Not: Çeşitli referanslar MATLAB GUIDE ek bilgi ve temel KILAVUZU arayüzü için 27-31 listelenir.

Açık kaynak Görüntüleyicilerde 19 3. Doğrulama NanospringCarver Sonuçları

Aşağıdaki adımlar görselleştirmek ve NanospringCarver tarafından oluşturulan çıktı bahar modelleri doğrulamak için genel bir kullanıcı için tasarlanmıştır.

  1. Görüntüleme programı 19 içine girişi için dosya üretmek için, yukarıda tarif edildiği gibi NanospringCarver MATLAB GUI kullanın. Görselleştirme programını çalıştırırken, "nokta coordin kullanın, "giriş seçeneği dosya rengine göre atom türlerini ayırt, ve alan için bir eksen ızgara kenarlığı seçin yedik.
  2. Bahar modellerinde mesafeleri ölçmek ve bunların kaydını yapmak.
  3. İstenilen bahar boyutlarda karşı ölçülen verileri karşılaştırmak ve bahar modeli doğruluğunu.

4. Nanosprings MD Çekme Simülasyonlarında NanospringCarver Kullanma Sonuçlar

Aşağıdaki adımlar, geleneksel bir açık-kaynak MD kodu 32 girdi olarak NanospringCarver tarafından oluşturulan yay modelleri kullanmak için genel bir kullanıcı için özetlenmiştir.

  1. MD programı LAMMPS açık kaynak son sürümünü indirin. Kılavuzları ve örnekler için ilgili çevrimiçi belgelerine bakın.
  2. 18 daha önce rapor edildiği gibi, uygun bir başlangıç ​​bulkunun silis camı modelini hazırlamak amacıyla istenen nanospring modelinin boyutlarını belirler.
  3. NanospringCarver MATLAB GUI kullanarak istenen nanospring model oluşturmak (bkz Section 2 yukarıda).
  4. Eksenel 11,13,23 modeli gerilmesiyle istenilen nanospring Çekme simülasyonlar yapın. Nanospring modelin bir örnek video gerildikten üretin (aşağıda Şekil 8, görmek ve Animasyonlu Şekil 1) görselleştirme ve analiz için. Gerilim altında birkaç nanospring modellerin gerilme-deformasyon davranışı ve sertliği ile ilgili bilimsel sonuçlar başka bir yerde 23 bildirilmiştir.

Şekil 8,
Şekil 8: çekme simülasyon sırasında silika nanospring Screenshot (aynı zamanda Şekil 1 Hareketli bakınız).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Birinci hesaplama yordamı (nanoribbons code) ile oluşturulan atomlarla nanoribbon modelleri ve bunların ilişkili boyutları Şekil 9'da gösterilmektedir., Ikinci hesaplama yordamı (nanosprings kodu) ve bağlantılı boyutları kullanılarak elde edilen nanospring modelleri, Şekil 10'da gösterilmiştir.

Şekil 9,
Şekil 9. Atomistik istenilen boyutlara sahip bir silis nanoribbon modeli: r (nanoribbon yarıçapı) = 1.07 nm, R (sarmalın yarıçapı) = 5.37 nm, ve p (pitch) = 7.16 nm. - (F) diyagonal Defa (a) üstten görünüm, (b) yan görünümü, (c) Ek rotasyon ile yanal görünümü ve (d): Anlık nano belirgin manzarası göstermektedir. SiO 2 nanoribbon modeli 3354 atomlar içerir. Toplam şerit yüksekliği H 14.1 23 nm.

Şekil 10,
Şekil 10. Atomistik belirtilen boyutlara sahip bir silis nanospring modeli: r (tel yarıçapı) = 1.07 nm, R (sarmalın yarıçapı) = 4.29 nm, ve p (pitch) = 4.29 nm. - (F) diyagonal Defa (a) üstten görünüm, (b) yan görünümü, (c) Ek öne rotasyonu ile yan görünüm ve (d): Anlık nanospring modelin farklı görünümlerini göstermektedir. SİO2 nanospring Model 21.246 atomundan oluşur. Toplam yay yüksekliği H 14,32 nm 23 olduğunu.

Her iki kodları oluşturulacak nanoribbon ve nanospring boyutlarının aralığı geniş (r <3.75 mil R <9 nm, p <12.57 mil) olmuştur. Yukarıdaki yöntemlerin her biri için müsait silika nanosprings ve nanoribbons oluşturmak için benzersiz bir yol sunaratomistiktir simülasyonları. Her iki yöntem de esnektir ve bunları oldukça yararlı ve çok yönlü hale malzemenin, bağımsız olarak farklı bir helis yapıları üretmek için adapte edilebilir.

Hareketli Şekil 1 . çekme simülasyon sırasında Silika nanospring.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Orijinal yaklaşımın modifikasyonu ilk toplu silis camı MD modelinden hem nanoribbons ve nanosprings oluşturulmasını sağlamak için iki farklı kodları gelişmesine yol açtı nanohelical yapılar oluşturmak için. Silika nanoribbon ve nanospring modelleri doğrulama programların ölçüm kapasitesi dahilinde kendi boyutsal doğruluğunu teyit farklı yazılım paketleri 19-20 kullanılarak takip edildi. Nanosprings ve nanoribbons arasındaki karşılaştırma, aynı zamanda ek geometri doğrulama sonuçlanan farklı kenarları ve açıları, en modelleri üzerine yerleştirilmesi ile gerçekleştirildi. Nedeniyle diğer malzemelerden modelleme nanohelical yapılarda herhangi bir toplu malzeme modeli büyüklüğü ve potansiyel kullanılması için onların ölçeklenebilirlik katma değer ile farklı şekilde sarmal nanoyapıları, oluşturulan bu projede geliştirilen hem de hesaplama yöntemleri. Burada sunulan çıkan modeller saptanabilir eserler vardır gösterdi (aİstenen nanohelical yapısından eksik tom'lar) yöntemi kullanılarak oluşturulabilir. Buna ek olarak, bu çalışmada geliştirilen hesaplama yöntemleri basit helis tanımlanırken sinüs ve kosinüs fonksiyonlarının sırasını ters çevirerek, sağ elini veya sol elini sarmal nanoyapıları oluşturmak için esnektir. Bu yöntemin gelecekteki uygulamaları genişletilmiş parametre değişimi sağlayan büyük sarmal yapılara ölçeklendirme ve farklı başlangıç ​​maddeleri ile kullanım araştırılmasını içerecektir.

Bu yöntemin sınırlamaları modeli boyutu arttıkça önemli bilgisayar kaynaklarını içerebilir kullanılan ilk toplu silis modeline bağlı olarak oluşturulan nanohelices üzerinde boyutlu kısıtlamalar içerir. Olarak şu anda uygulanmakta, nanoribbon veya nanospring yüksekliği orijinal kütle modelinin boyutuna uzatacaktır. Perde değeri daha büyük olduğunda, birinci hesaplama yöntemi, bir parametre alanı için doğru bir nanoribbon modelini oluşturur7.16 nm ve helezoni telin yarıçapı, "dökme" silis cam yapı en kısa boyutunun% 10'undan daha fazla değildir. İkinci hesaplama yöntemi parametresi sınırlama olmaksızın doğru nanospring modellerini üretir. Bu hazır atomistiktir nanostructural modeller farklı boyutta koşulları araştırmak için gerekli olan MD simülasyonları gerçekleştirilmesi için özellikle önemlidir.

Protokolünde kritik bir adım modelinde yakın iki atom arasındaki minimum mesafe boyutlu parametreleri ile doğru tespit ve giriş edilmiş, belirli bir başlangıç ​​MD dökme malzeme modelinin ilk kullanımda doğrulamak olacaktır. Ayrıca, bakım dökme malzeme modeli boyutları aşmaması sarmal boyutları istenen sağlamak için alınmalıdır.

Teknolojik gelişmeler bu tür oksit nanoribbons An gibi karmaşık sarmal Nanoyapısının oluşturulması ve karakterizasyonu kolaylaştırmıştırLaboratuarda d nanosprings. Bu nano yapılar çeşitli uygulamalar için tam potansiyelini gerçekleştirmek amacıyla kapsamlı bir soruşturma gerektiren benzersiz özelliklere sahiptir. Bu sarmal yapıların mekanik davranışı MD çalışmaları kolayca ve hassas sarmal nanoyapıları oluşturmak ve daha sonra öngörü simülasyonları için uygun atomlar potansiyelleri ve yöntemleri yararlanabilirler esnek kodları gerektirir. Bu ilk şartı yerine getirmek için, doğru yapısal modelleme kodları büyük ölçekli MD sıkıştırma simülasyonlar ve deneysel doğrulama için kullanılacak olan geliştirilmiştir.

Hazır değil benzer kodları ve diğer alternatif yaklaşımlar kristal nanoyapılarda odaklanmış gibi MD silis cam (non-kristalin) nanohelical modelleri yaratma Bu yöntem, önemlidir. Bu modelleme çaba l var MD simülasyon çalışmalarında kullanılan çıkan nanoyapılarda ile genişlemiştirBir tez ed çekme yükü 23 altında silika cam nanohelices elastik tepkisi üzerinde duruldu. Nano zamanı verimli simülasyon, ancak yeni programlama teknikleri ve atomlarla modelleri, özellikle öngörü çalışmaları için önemli hale gelmektedir, zorlu bir sorundur. Bu modelleme tekniği hızla ilgi kazanıyor ve hızlı bir şekilde yüksek performanslı hesaplama gerektiren modeller için etkili bir yöntem haline gelmektedir. Gelecek akademik çabalar hesaplama araştırmacıları eğitim ve sınıf çalışmalarında bu kodların uyarlaması büyük olasılıkla. Farklı yükleme koşulları için sarmal yapıların tepkisini incelemek için MD simülasyonlar bu sağlam atomlarla modelleri ile kesinlikle mümkündür. Yapı taşları olarak bu nanoyapıları kullanarak gelecekteki üretim başarısı nanomanipulation ve öz-montaj süreçlerine etkileri olan, kendi yapısı ve özellikleri anlayış bağlıdır. Bu çalışma iuygulamalar çok sayıda için nanoaygıtlar tasarımı için potansiyel olarak yararlı olabilir büyük ölçekli MD simülasyonları kullanarak bu tür Nano mekanik davranışını anlamaya yönelik sa bir adım.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarının olmadığını beyan ederim.

Acknowledgements

Yazarlar bu proje onun yardım için UC Merced Tim Allis teşekkür etmek istiyorum. UCM at NSF-PARALAR programı bu çalışmanın erken kısmında (KAM) destekledi. Bir NSF-Köprüsü ödül konferanslara bu iş ve seyahat giderleri için fonlar sağlayarak, ortak yazarları (BND ve KAM) destekledi.

Araştırma grubu Köprüsü ödül ile bu çalışmaları finanse için öncelikle Ulusal Bilim Vakfı beyan etmek istemektedir. Bu malzeme Hibe sayılı 1032653 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışma dayanmaktadır.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MATLAB numerical computing software Mathworks http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html See Protocol Introduction and Reference [24]
NanospringCarver program code and files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]
MATLAB GUI files UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]
Atomistic bulk glass input file UC Merced - open source http://tinyurl.com/qame8dj See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]
IFrIT visualization software Open source software http://sites.google.com/site/ifrithome/ See Protocol Section 3 and Reference [19]
LAMMPS molecular dynamics software Open source software http://lammps.sandia.gov/ See Protocol Section 4 and Reference [32]

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gao, P. X., et al. Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices. Science. 309, (5741), 1700-1704 (2005).
  2. McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G. Nanosprings. Appl. Phys. Lett. 79, (10), 1540-1542 (2001).
  3. He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3, (1), 153-160 (2007).
  4. Cammarata, R. C., Sieradzki, K. Surface and interface stresses. Annu. Rev. Mater. Sci. 24, (1), 215-234 (1994).
  5. Becker, N., et al. Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nat. Mater. 2, (4), 278-283 (2003).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Dobrokhotov, V., et al. ZnO coated nanospring-based chemiresistors. J. Appl. Phys. 111, (4), 044311-044318 (2012).
  9. Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy. 19 (2010).
  10. 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).
  11. Fonseca, da, Galvão, A. F., S, D. Mechanical properties of nanosprings. Phys. Rev.Lett. 92, (17), 175502-175505 (2004).
  12. Zhang, G., Zhao, Y. Mechanical characteristics of nanoscale springs. J. Appl. Phys. 95, (1), 267-271 (2004).
  13. Fonseca, da, Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. Mechanical properties of amorphous nanosprings. Nanotechnology. 17, (22), 5620-5626 (2006).
  14. 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).
  15. Chang, I. L., Yeh, M. -S. An atomistic study of nanosprings. J. Appl. Phys. 104, (2), 0243051-0243056 (2008).
  16. Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4, (6), 1009-1016 (2004).
  17. Chen, X., et al. Mechanics of a carbon nanocoil. Nano Lett. 3, (9), 1299-1304 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Accelrys Inc. Materials Studio Overview [Internet]. U.S.A. Accelrys. Available from: http://accelrys.com/products/materials-studio (2013).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. MathWorks. MATLAB Overview [Internet]. Mathworks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html (2013).
  25. Linux homepage [Internet]. Linux. U.S.A.. Available from: http://www.linux.org (2013).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. MathWorks. Massachusetts. Available from: http://www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2013).
  30. 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).
  31. 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).
  32. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code [Internet]. Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2013).

Comments

1 Comment

  1. With the development of society, the need of China glass reactor is gradually increased. Then more and more reactors begin to be produced in order to satisfy the needs of market. Although some people may know that the reactor has wide applications, they do not know what fields these reactors are used. In a word, these reactors develop the important role in many way of our life. If you are interested, click nthe follwing link jacketed glass reactor

    Reply
    Posted by: xiao s.
    February 2, 2015 - 3:22 AM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics