准确模拟纳米螺旋结构对于推动新型纳米技术应用的预测性仿真研究至关重要。 目前，软件包和代码在构建原子级螺旋模型方面存在局限性。 我们提出了两种用于构建原子级纳米螺旋模型的模拟方法，并提供了一个图形界面，以通过可视化手段增强研究能力。
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摘要
摘要
弹簧状材料在自然界中普遍存在，并在纳米技术中具有重要应用价值，可用于能量收集、氢气存储和生物传感等领域。 为了实现可预测的模拟，准确建模纳米螺旋结构变得日益重要。 为了研究局部结构对这些复杂几何形貌性能的影响，必须建立真实可靠的模型。 迄今为止，现有的软件包在构建原子级螺旋模型方面仍相当有限。 本研究聚焦于为分子动力学（MD）模拟生成原子级的二氧化硅玻璃（SiO2）纳米带和纳米弹簧模型。基于“体相”二氧化硅玻璃的MD模型，本文提出了两种计算方法，用于精确构建纳米带和纳米弹簧的形状。 第一种方法采用AWK编程语言和开源软件，通过设定目标尺寸和螺旋参数方程，从初始体相模型中高效地切割出各种形状的二氧化硅纳米带。 利用该方法，可针对不同螺距和尺寸参数生成精确的原子级二氧化硅纳米带。 第二种方法涉及一个更为强大的代码系统，可在建模纳米螺旋结构时提供更高的灵活性。 该方法采用专门编写的C++代码，集成了预筛选算法以及螺旋的数学方程，从而在构建纳米弹簧模型时实现更高的精度和效率。 利用这些代码，可高效地生成结构明确且可扩展的纳米带和纳米弹簧模型，适用于原子级模拟。 这两个开源代码的附加价值在于，它们可被修改以复现不同类型的螺旋结构，且不受材料种类限制。 此外，还使用MATLAB图形用户界面（GUI）增强可视化与交互功能，帮助普通用户更好地理解原子级螺旋结构，促进学习与应用。 这些方法的一个应用实例是近期通过分子动力学模拟研究纳米螺旋结构在机械能量收集方面的性能。
引言
螺旋纳米结构通常在实验室中采用化学气相沉积技术制备1-2，同时文献中也报道了新的制备方法3。特别是纳米弹簧和纳米带因其独特的性质以及在传感器、光学、机电和流体器件中的广阔应用前景而受到广泛研究4-7。已有报道的合成方法可制备二氧化硅（SiO2）纳米带，使这些结构成为构建分级系统的潜在基本单元。新型三维二氧化硅纳米弹簧的合成进一步拓展了其应用范围，例如涂覆氧化锌（ZnO）8后可用于化学电阻传感器，或结合纳米颗粒用于诊断应用9-10。
关于二氧化硅纳米弹簧和纳米带力学性能的实验研究较为稀少，主要受限于当前操作和测试方法及设备的不足。已有文献通过理论和模拟方法报道了对纳米结构和纳米弹簧纳米力学的研究11-14。一些模拟研究13聚焦于非晶态纳米弹簧的纳米力学行为，因其能够探索实验手段尚难完全触及的物理机制。文献中已有关于金属纳米弹簧的原子级研究，用于探究弹性性能的尺寸依赖性15，以及近期对螺旋状晶态二氧化硅纳米结构纳米力学的研究14。 针对纳米弹簧结构的实验测试也在其他材料体系中开展，例如螺旋碳纳米结构和碳纳米线圈16-17。尽管目前已积累了一定的认识，但为了推动未来纳米器件的制备，仍需更全面地理解这些新型纳米结构的力学特性。<....
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方案
1. 准备NanospringCarver文件并在LINUX电脑上启动MATLAB
以下步骤旨在帮助普通用户利用在线提供的文件26。
- 将 nanosprings.tar.gz 文件解压至“Home”目录或其它首选目录。
- 从网络资源库26下载 nanosprings.tar.gz 文件压缩包。
- 找到已下载的压缩包，并将其移至名为“Documents/Nanosprings”的首选工作目录。
- 右键单击 nanosprings.tar.gz，然后从右键上下文菜单中选择“在此处解压”。
- 确认当前目录中存在所有必需的文件。以下列出这些文件及其用途：
Makefile – 用于 nanosprings.cpp 和 Point.cpp 的手动管理编译文件
Nanosprings.fig – MATLAB GUI 内部文件
Nanosprings.m – MATLAB GUI 代码
Point.cpp – Point（原子）类定义
Point.h – Point（原子）类头文件
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结果
使用第一种计算方法（纳米带代码）创建的原子级纳米带模型及其相关尺寸如图9所示。使用第二种计算方法（纳米弹簧代码）得到的纳米弹簧模型及其相关尺寸如图10所示。
图9. 具有所需尺寸的二氧化硅纳米带的原子级模型：r（纳米带半径）= 1.07 nm，R（螺旋半径）= 5.37 nm，以及 p（螺距）= 7.16 nm。快照展示了该纳米结构的不同视图：(a) 顶视图，(b) 侧视图，(c) 经额外旋转后的侧视.......
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讨论
对原始方法进行改进以构建纳米螺旋结构，由此开发出两种不同的代码，可从初始的体相二氧化硅玻璃分子动力学模型出发，生成纳米带和纳米弹簧结构。 通过使用不同的软件包19-20对二氧化硅纳米带和纳米弹簧模型进行了验证，确认其尺寸精度在程序的测量能力范围内。 还通过从不同侧面和角度叠加模型，对纳米弹簧与纳米带进行了比较，进一步实现了几何结构的验证。 本项目开发的两种计算方法以不同的方式生成螺旋纳米结构，其附加价值在于可扩展用于任意尺寸的体相材料模型，并具备用于模拟其他材料来源的纳米螺旋结构的潜力。 本文展示的结果表明，使用任一方法均未产生可检测到的伪影（即目标纳米螺旋结构中缺失的原子）。 此外，本研究开发的计算方法在生成右手螺旋或左手螺旋纳米结构方面具有灵活性，仅需反转定义螺旋的正弦和余弦函数的顺序即可实现。 该方法未来的应用将包括扩展至更大的螺旋结构，以实现更广泛的参数变化，并探索其在不同初始材料中的应用。
该方法的局限性包括所构建的纳米螺旋结构的尺寸受限于所采用的初始块体二氧化硅模型，且随着模型.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
作者感谢加州大学默塞德分校的 Tim Allis 在本项目中的协助。 加州大学默塞德分校的 NSF-COINS 项目在本研究早期阶段为 (KAM) 提供了支持。 一项 NSF-BRIGE 奖项支持了合著者 (BND 和 KAM)，为本研究以及参加学术会议的差旅费用提供了资金。
研究团队首要感谢美国国家科学基金会通过BRIGE奖项对本工作的资助。 本材料基于美国国家科学基金会在资助号1032653下支持的工作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MATLAB 数值计算软件 | Mathworks | http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html | 参见实验方案引言部分及参考文献[24] |
| NanospringCarver 程序代码与文件 | 加州大学默塞德分校 - 开源 | http://tinyurl.com/qame8dj | 参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26] |
| MATLAB GUI 文件 | 加州大学默塞德分校 - 开源 | http://tinyurl.com/qame8dj | 参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26] |
| 原子级块体玻璃输入文件 | 加州大学默塞德分校 - 开源 | http://tinyurl.com/qame8dj | 参见实验方案第1节（步骤1.2）及参考文献[26] |
| IFrIT 可视化软件 | 开源软件 | http://sites.google.com/site/ifrithome/ | 参见实验方案第3节及参考文献[19] |
| LAMMPS 分子动力学软件 | 开源软件 | http://lammps.sandia.gov/ | 参见实验方案第4节及参考文献[32] |
参考文献
- 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.
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.
A correction was made to Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization. Online article is missing its 29th author reference.
The reference section has added:
29. MathWorks. Use and create MATLAB MEX-files [Internet]. [Massachusetts]: MathWorks; [cited 2013 May 30]. Available from: http:// www.mathworks.com/help/matlab/call-mex-files-1.html (2014).
