Nanohelices להרחבה עבור חיזוי מחקרים ויזואליזציה 3D משופר
Summary
מודלים מדויקים של מבני nanohelical חשוב למחקרי הדמיה חזוי מובילים ליישומי ננו-טכנולוגיה חדשניות. נכון לעכשיו, חבילות תוכנה וקודים מוגבלות ביצירת מודלים סליל האטומיסטית. אנו מציגים שני הליכים שנועדו ליצור מודלים nanohelical האטומיסטית לסימולציות, וממשק גרפי כדי לשפר את המחקר באמצעות הדמיה.
Abstract
חומרים דמויי קפיץ נמצאים בכל מקום בטבע ועניין בננוטכנולוגיה לקצירת אנרגיה, אחסון מימן, ויישומי חישה ביולוגיים. לסימולציות חזויה, זה הפך להיות יותר ויותר חשוב להיות מסוגל מודל מבנה nanohelices מדויק. כדי לחקור את ההשפעה של מבנה המקומי על המאפיינים של גיאומטריות המורכבות אלה יש לפתח מודלים מציאותיים. עד כה, חבילות תוכנה שלא מוגבלות ביצירת מודלים סליל האטומיסטית. עבודה זו מתמקדת בייצור דגמים האטומיסטית של זכוכית סיליקה (SiO 2) nanoribbons וnanosprings לדינמיקה מולקולרית הדמיות (MD). באמצעות מודל MD זכוכית סיליקה "בתפזורת", שתי פרוצדורות חישוביות כדי ליצור את הצורה של nanoribbons וnanosprings בדיוק מוצגים. השיטה הראשונה מעסיקה תוכנה בשפת תכנות וקוד פתוח AWK לגלף ביעילות בצורות שונות של nanoribbons סיליקה מאנימודל nitial בתפזורת, באמצעות ממדים רצויים ומשוואות פרמטרית להגדיר סליל. בשיטה זו, יכולה להיות שנוצרה nanoribbons סיליקה האטומיסטית מדויקת לטווח ערכי המגרש ומידות. השיטה השנייה כרוכה קוד חזק יותר המאפשר גמישות במבני nanohelical דוגמנות. גישה זו משתמשת בקוד C ++ במיוחד שנכתב ליישום שיטות סינון מראש, כמו גם את המשוואות המתמטיות לסליל, וכתוצאה מכך דיוק ויעילות רבים יותר בעת יצירת המודלים nanospring. שימוש בקודים אלה, מוגדרים היטב וnanoribbons מדרגי וnanosprings המתאימה לסימולציות האטומיסטית ניתן ליצור באופן יעיל. ערך מוסף בשני קודי הקוד פתוח הוא שהם יכולים להיות מותאמים ללשכפל את מבני סליל שונים, בלתי תלויים בחומר. בנוסף, ממשק MATLAB משתמש גרפי (GUI) משמש כדי לשפר את הלמידה באמצעות הדמיה ואינטראקציה של משתמש כללי עם חלי האטומיסטיתמבני קאל. אחד יישומים של שיטות אלה הוא המחקר שנערך לאחרונה של nanohelices באמצעות סימולציות MD למטרות קצירת אנרגיה מכאניות.
Introduction
ננו סליל מיוצר בדרך כלל במעבדה תוך שימוש בטכניקות בתצהיר אדים כימיים 1-2, ואילו גישות חדשות דווחו בספרות 3. בפרט nanosprings וnanoribbons נחקרו בגלל התכונות הייחודיות והיישומים המבטיחים בחיישנים, אופטיקה, והתקני אלקטרו-מכאניים וfluidic 4-7. שיטות סינתזה דווחו לייצר סיליקה (SiO 2) nanoribbons, מה שהופך את המבנים האלה יחידות אבן בניין פוטנציאליות למערכות היררכיות. סינתזת רומן של nanosprings סיליקה 3D הרחיבה את היישומים שלהם לchemiresistors כאשר מצופה בתחמוצת האבץ 8 או חלקיקים עבור יישומי אבחון 9-10.
מחקרי ניסויים על התכונות מכאניות של nanosprings סיליקה וnanoribbons נדירים, בעיקר בשל מגבלות הנוכחיות בשיטות מניפולציה והבדיקה וequipmeNT. חקירות לnanomechanics של ננו וnanosprings כבר דיווחו על שימוש בתאוריה וסימולציות 11-14. סימולציות כ -13 התמקדו בהתנהגות nanomechanical של nanosprings אמורפי, כי הם יכולים לחקור את המשטרים אינם נגישים באופן מלא באמצעות ניסויים. מחקרים האטומיסטית של nanosprings המתכתי דווחו בספרות כדי לחקור את תלות הגודל של תכונות אלסטיות 15, ולאחרונה nanomechanics של ננו גבישי סיליקה סליל 14. בדיקה ניסיונית של מבני nanospring גם בוצעה בחומרים שונים כגון ננו פחמן סליל ו nanocoils פחמן 16-17. למרות הידע שנאסף עד כה, הבנה של התכונות מכאניות של ננו הרומן אלה מלאים יותר נחוצה למאמצי ייצור nanodevice עתיד.
מחקרי MD של g סיליקהילדה nanohelices (סיליקה אינם גבישי) הם עדיין די מוגבל, הדוגמנות האטומיסטית של מבנים כאמור מחייבת יצירת קודים מותאמים אישית. אין שיטות אלטרנטיביות אחרות של יצירת המודלים MD סליל זכוכית סיליקה זוהו עד כה על חיפוש בספרות האחרונה. בעבודה זו, מלמטה למעלה לדוגמנות האטומיסטית של ננו זכוכית סיליקה סליל כולל nanosprings וnanoribbons חתירה לסימולציות nanomechanical MD בקנה מידה גדולה בעתיד. הגישה הכללית כרוכה ביצירת מודל זכוכית MD "בתפזורת" סיליקה כפי שדווח בעבר 18, וגילוף החוצה ננו סליל שונים ממדגם "בתפזורת" זה באמצעות שני קודי מחשב חזקים וישימה פותחו למטרה זו. שני פרוצדורות חישוביות מציעות דרך ייחודית ליצירת מודלים nanoribbon וnanospring ביעילות רבה ובפירוט האטומיסטית; מבנים אלה מתאימים לסימולציות האטומיסטית בקנה מידה גדולה.בנוסף, ממשק משתמש גרפי מותאם אישית משמש כדי להקל על יצירה ויזואליזציה של מבני הסליל.
מבנו של המודל "בתפזורת" זכוכית סיליקה נוצרים בתחילה בטמפרטורת חדר. סימולציות MD בקנה מידה גדולה שנערכו למטרה זו באמצעות Garofalini interatomic פוטנציאל דומה למחקרים קודמים 18, שהוא יעיל יחסית המחשוב ומתאים למערכות גדולות. המבנה הראשוני הזכוכית "בתפזורת" סיליקה מורכבת ממודל קובייה (14.3 x 14.3 x 14.3 ננומטר 3) המכיל 192,000 אטומים. מודל זכוכית סיליקה "בתפזורת" הוא equilibrated ב 300 K ל0.5 nsec להשיג את המצב ההתחלתי באמצעות תנאי שפה מחזוריות.
שתי פרוצדורות חישוביות מתוכננות ומנוצלות כדי ליצור מודלים nanoribbon סיליקה וnanospring האטומיסטית. השיטה הראשונה כוללת גילוף החוצה nanoribbons סיליקה מהמבנה "בתפזורת" באמצעות המשוואות פרמטרית שמגדירות סליל, והגיאומטריה שלו (המגרש, רדיוס של סליל, ורדיוס תיל). הליך זה כולל שימוש בשפת AWK תכנות, מערכת ההפעלה לינוקס, ותוכנת הדמיה קוד פתוח 19. ההליך החוזר והנשנה הכללי כדי ליצור מודלים האטומיסטית של nanoribbons כולל: (1) בחירת אטום במודל זכוכית סיליקה "בתפזורת", (2) חישוב המרחק מהאטום נבחר לנקודה במרחב בפונקצית סליל מוגדרת מראש, (3) השוואת מרחק זה לרדיוס של nanoribbon הרצוי, ו- (4) השלכת או שמירה על האטום במודל נתוני תפוקה. תיאור צעד אחר צעד מפורט לשיטה זו כלול בקודי Scalable הקוד פתוח נוסף החומר. בשיטה זו, כמה nanoribbons סיליקה נוצרו באמצעות גובה צליל שונה, רדיוס של ערכי סליל ורדיוס nanoribbon, שנמדדו לאחר מכןלדיוק נגד ערכי ממדים הרצויים עם ניתוח מולקולרי ותוכנה להדמיה 19-20. מודלים האטומיסטית של nanoribbons סיליקה נוצרו בגיאומטריות תפקודיות (ערכים גבוהים של המגרש וערכים נמוכים של רדיוס nanoribbon). חפצים מסוימים, מורכב מאטומים לא נכללו בטעות, שהוביל למשטח nanoribbon פחות חלק, נצפו בערכי רדיוס nanoribbon הגבוהים ביותר וערכי המגרש נמוכים מאוד. שיטות דומות שימשו בתהליך של יצירת ננו-חוטי סיליקה 21-23.
השיטה השנייה המוצגת כאן כוללת גילוף החוצה nanosprings סיליקה ממבנה סיליקה "בתפזורת" על ידי יישום שיטות סינון מראש כדי להגביר את היעילות, בנוסף למשוואות המתמטיות לסליל. הליך זה נדרש יצירת קוד C ++ חזק יותר, כדי לאפשר גמישות רבה יותר בדוגמנות ננו הסליל אלה. שיטת איטרטיבי כדי ליצור atomis מודלים טיקים של nanosprings כוללים: (1) השלכת כל האטומים מובטח ליפול מחוץ למסלול הסליל, (2) deterministically בחירת נקודה בדרך הסליל, (3) להשוות את כל האטומים במרחק מסוים לנבחרה נקודה זו, ו( 4 ) השלכת או אחסון כל אטום במודל נתוני תפוקה. תיאור צעד-אחר-צעד לשיטה זו נכללה גם בקודי הקוד הפתוח Scalable משלימה חומר. בשיטה זו, מספר דגמי nanospring סיליקה התקבלו עם ממדים מגוונים (רדיוס תיל, רדיוס של סליל, ומגרש של nanospring) כ שמוצג באיור 1. המודלים nanospring סיליקה מאוד מדויקת התקבלו ביעילות בשיטה זו, ללא עדות לחפצים שנמצאו בערכים קיצוניים המגרש (נמוכים וגבוהים) לnanospring. היצירה ושימוש בממשק המשתמש הגרפי לשיטה זו מתוארת בסעיף הפרוטוקול.
<p class="jove_content" fo:keep-together.withבעמודים = "תמיד">
איור 1:. מבנה סליל כללי מראה ממדים אופייניים, שבו r, R ו- p מייצגים את רדיוס התיל, רדיוס של סליל, ומגרש בהתאמה H מציין את הגובה הכולל של מבנה סליל 23.
פרוטוקול זה מתאר כיצד להכין את קבצי NanospringCarver, פועל 24 MATLAB על מחשב LINUX 25, ולהשתמש בממשק משתמש גרפי להכנת דגמי nanospring האטומיסטית. מודלים זמינים בעבר אלו משמשים כבסיס לדינמיקה מולקולרית חדשה (MD) סימולציות 23 בדרך למחקר חדשנות חומרים.
הליך צעד-אחר-צעד הכללי כדי ליצור מודלים nanospring האטומיסטית כרוך בשימוש במרכיבים הבאים: (א) NanospringCarver (. V 0.5 בטא) קוד (פתוח-חמוץce בשפת C ++), (ב) מודל זכוכית סיליקה בתפזורת (קובץ קלט), () ממשק ג MATLAB GUI וקבצים קשורים, ו() תוכנת ד MATLAB (גרסה 7) שימוש ברישיון מקומי על מחשב LINUX. פריטים (א) – (ג) לעיל (קוד NanospringCarver, מודל זכוכית סיליקה, קבצי MATLAB GUI) הם להורדה בחינם באינטרנט 26. MATLAB (מטריקס מעבדה) הוא שפה ברמה גבוהה לחישוב מספרי, הדמיה, ופיתוח יישומים מ -24 MathWorks, המשמש בעיקר להדמיה וניתוח של נתונים, עיבוד תמונה, וביולוגיה חישובית.
Protocol
Representative Results
Discussion
שינוי של הגישה המקורית כדי ליצור מבני nanohelical הובילו לפיתוח של שני קודים שונים כדי לאפשר יצירה של שתי nanoribbons וnanosprings ממודל MD זכוכית סיליקה בתפזורת ראשונית. האימות של המודלים nanoribbon סיליקה וnanospring נרדפה באמצעות חבילות תוכנה שונות 19-20, שאשרו את הדיוק ממדי שלהם בתוך י?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות לטים חזרה Back באוניברסיטה קליפורניה במרסד לעזרתו בפרויקט זה. NSF-מטבעות התכנית בUCM נתמכת (קא"מ) בחלקה הראשונה של עבודה זו. פרס NSF-BRIGE נתמך מחברים (BND וקא"מ), מתן כספים עבור עבודה זו והוצאות נסיעה לכנסים.
קבוצת המחקר מבקשת להודות בראש ובראשונה הקרן הלאומי למדע למימון עבודה זו באמצעות הפרס BRIGE. חומר זה מבוסס על נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא 1032653 עבודה.
Materials
| 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://www.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. Nanosprings. Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).
- He, Y., et al. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
- Cammarata, R. C., Sieradzki, K. Surface and interface stresses. Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).
- 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. ZnO coated nanospring-based chemiresistors. J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).
- 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, d. a., Galvão, A. F., S, D. Mechanical properties of nanosprings. Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).
- Zhang, G., Zhao, Y. Mechanical characteristics of nanoscale springs. J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).
- Fonseca, d. a., Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. Mechanical properties of amorphous nanosprings. Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).
- 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. An atomistic study of nanosprings. J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).
- Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
- Chen, X., et al. Mechanics of a carbon nanocoil. Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).
- 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] Available from: https://sites.google.com/site/ifrithome/ (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]. , 55-55 (2013).
- Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet] 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] Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2014)
