Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung
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.
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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.
Protocol
Representative Results
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 Üb…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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] |
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