予測研究および拡張の3D可視化のためのスケーラブルなNanohelices
Summary
nanohelical構造の正確なモデリングは、新規ナノテクノロジー応用につながる予測シミュレーション研究のために重要である。現在、ソフトウェアパッケージおよびコードは、原子論らせんモデルを作成する際に制限されています。私たちは2つのシミュレーションのための原子論nanohelicalモデルを作成するように設計手順、および可視化を通じて、研究を強化するためのグラフィカル·インターフェースを提示する。
Abstract
ばね状材料は、本質的に、エネルギーハーベスティング、水素貯蔵、および生物学的検知用途のためのナノテクノロジーへの関心の遍在する。予測シミュレーションでは、正確nanohelicesの構造をモデル化できることがますます重要になってきている。一つは現実的なモデルを開発する必要があり、これらの複雑な形状の特性に局所的な構造の効果を研究するために。現在までに、ソフトウェア·パッケージではなく、原子レベルのらせんモデルの作成に限定されている。この作品は、分子動力学（MD）シミュレーションのため原子論シリカガラスのモデル（SiO 2）のナノリボン及びナノスプリングを生産に焦点を当てています。 「バルク」シリカガラスのMDモデルを使用して、正確にナノリボン及びナノスプリングの形状を作成するための2つの計算手順を提示する。最初の方法は効果的に私からシリカナノリボンの様々な形状を彫るためにAWKプログラミング言語とオープンソースソフトウェアを採用ヘリックスを定義するために所望の寸法及びパラメトリック方程式を使用してnitialバルクモデル。この方法では、正確な原子レベルのシリカナノリボンは、ピッチ値および寸法の範囲を生成することができる。第二の方法は、モデリングnanohelical構造における柔軟性を可能にする、より堅牢なコードが含まれます。このアプローチは、特に、ナノスプリングモデルを作成する際に高い精度と効率が、事前スクリーニング方法、ならびにらせんのための数学的方程式を実装するために書かれたC ++コードを利用する。これらのコードを使用し、原子レベルのシミュレーションに適した、明確に定義されたスケーラブルなナノリボン及びナノスプリングを効果的に作成することができる。両方のオープンソース·コード内の付加価値は、それらが、材料の独立した異なるらせん構造を再現するように適合され得ることである。また、MATLABグラフィカルユーザインタフェース（GUI）は、原子レベルのヘリと、一般ユーザのための視覚化および相互作用を介して、学習向上させるために使用されるCALの構造。これらの方法の一つの用途は、機械的エネルギーハーベスティングの目的のためにMDシミュレーションを介してnanohelicesの最近の研究である。
Introduction
新しいアプローチは、文献3に報告されているが、ヘリカルナノ構造は、典型的には、化学気相堆積法1-2用いて実験室で製造される。特に、ナノスプリングおよびナノリボンは、それらの個別の特性やセンサー、光学、電気機械や流体装置4-7の有望なアプリケーションで研究されている。合成方法は、これらの構造を階層的システムのための潜在的な構成要素単位を作り、シリカ（SiO 2）ナノリボンを生成することが報告されている。診断用途のために9-10のZnO 8またはナノ粒子で被覆されたときの3Dシリカナノスプリングの新規合成は、ケミレジスタに自社のアプリケーションを拡大してきました。
シリカナノスプリングとナノリボンの機械的特性に関する実験的研究は主に、操作及び試験方法やequipmeの現在の制限のために、不足しているNT。ナノ構造とナノスプリングのナノメカニクスの調査では、理論やシミュレーション11-14を使用して報告されている。彼らは実験を通して完全に開かない政権を探索することができますので、いくつかのシミュレーション13は、アモルファスナノスプリングのナノ機械の挙動に焦点を当てている。金属ナノスプリングの原子論的研究は、弾性特性15のサイズ依存性を調べるために、文献に報告されており、最近でらせん結晶性シリカのナノ構造のナノメカニクスは14ナノスプリング構造の実験的試験はまた、螺旋状のカーボンナノ構造として、異なる材料で実施されているカーボンナノコイル16-17。知識にもかかわらず、これまでに集められ、これらの新規なナノ構造体の機械的特性のより完全な理解は、将来のナノデバイスの製造の取り組みのために必要とされる。
MD試験シリカgのような小娘（非結晶性シリカ）nanohelicesはまだ制限されてい、このような構造の原子レベルのモデリングは、カスタマイズされたコードを作成する必要があります。シリカガラスの螺旋のMDモデルを作成するのは、他の代替方法は、最近の文献検索の際に、これまでに同定されていない。本研究では、ナノスプリングおよびナノリボンを含むらせん状シリカガラスのナノ構造の原子レベルのモデリングにボトムアップアプローチは、将来の大規模のMDナノ機械シミュレーションに追求されている。一般的なアプローチは、以前に報告されているように18 MD「バルク」石英ガラスモデルの作成 が含まれ、この目的のために開発された2堅牢適応コンピュータコードを介してこの「バルク」サンプルから様々ならせん状ナノ構造を切り開く。両方の計算手順は、偉大な効率性と原子論ディテールナノリボン及びナノスプリングモデルを作成するための明確な方法を提供します。これらの構造は、大規模な原子レベルのシミュレーションに適している。また、カスタマイズされたグラフィカル·ユーザ·インターフェースは、らせん構造の作成および視覚化を容易にするために使用される。
「バルク」石英ガラスモデルの構造は、最初に室温で作成される。大規模なMDシミュレーションは、比較的計算効率と大規模なシステムに適している先行研究18に原子間ポテンシャルと類似Garofaliniを使用して、この目的のために行われている。最初の「バルク」石英ガラス構造が立方モデルで構成され（14.3 xは14.3 xは14.3ナノメートル3）192,000原子を含む。 「バルク」石英ガラスモデルは周期境界条件を用いて初期状態を得るために、0.5ナノ秒、300 Kで平衡化する。
2つの計算手順を設計し、原子レベルのシリカナノリボン及びナノスプリングモデルを作成するために利用される。最初の方法はからシリカナノリボンを切り開く関与ヘリックスを定義するパラメトリック方程式を使用して、「バルク」構造、およびその形状（ピッチ、螺旋の半径は、ワイヤ半径）。この手順は、AWKプログラミング言語、LINUXオペレーティングシステム、およびオープンソースの可視化ソフトウェア19を使用することを含む。ナノリボンの原子論的なモデルを作成するための一般的な反復手順を含む：（1）事前に定義された螺旋状の機能に対する空間内の点の選択された原子からの距離を算出する「バルク」石英ガラスモデル、（2）中の原子を選択し、 （3）所望のナノリボンの半径にこの距離を比較し、（4）出力データ·モデル内の原子を破棄するか、維持する。この方法の詳細なステップバイステップの説明は、 スケーラブルなオープンソースコード補足資料に含まれています。この方法では、いくつかのシリカナノリボンは、続いて測定したヘリックスおよびナノリボン半径の値の異なるピッチ、半径を使用して作成された分子解析と可視化ソフトウェア19-20で所望の寸法値に対する精度。シリカナノリボンの原子論的モデルは、機能的な幾何学的形状（ピッチの高い値とナノリボン半径の低い値）で生成した。誤って除外原子からなるいくつかのアーチファクトは、より少ない滑らかなナノリボン表面に至る極めて高いナノリボンの半径の値と非常に低いピッチの値で観察された。同様の方法は、シリカナノワイヤ21-23を作成するプロセスで使用されてきた。
ここに提示され第二の方法は、螺旋のための数式に加えて効率を向上させるために、事前のスクリーニング方法を実施することによって、「バルク」シリカ構造のシリカナノスプリングを切り開くことを含む。この手順では、これらのらせん状のナノ構造をモデル化することでより大きな柔軟性を可能にするために、より堅牢なC ++コードを作成する必要がありました。 atomisを作成するための反復法ナノスプリングのチックモデルは、（1）螺旋経路外にあることが保証すべての原子を破棄し、（2）決定論的に螺旋経路上の点を選択すること、（3）選択された時点までの特定の距離内のすべての原子を比較すること、および（4 ）廃棄または出力データ·モデル内の各原子を格納する。このメソッドのステップバイステップの説明は、 スケーラブルなオープンソースコード補足資料に含まれています。この方法では、いくつかのシリカナノスプリングモデルはとして変化寸法（ワイヤ半径、螺旋の半径、およびナノスプリングのピッチ）で得られた図1に示されている。高精度のシリカナノスプリングモデルは、ナノスプリングのために極端な（低い及び高い）ピッチ値で発見アーチファクトの証拠は、この方法で効率的に得られた。この方法のためのグラフィカルユーザインタフェースの作成 および使用は、 プロトコルセクションに記載されている。
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図1：R、Rおよびpは 、それぞれ、ワイヤ半径、螺旋の半径とピッチを表し、H は螺旋構造23の全体の高さを表す特徴的な寸法を示す一般的なヘリックス構造。
このプロトコルは、Linux 25、PC上のMATLAB 24を実行して、NanospringCarverファイルを準備し、原子論的ナノスプリングモデルを準備するグラフィカル·ユーザ·インタフェースを使用する方法について説明します。これらの以前は利用できなかったモデルは、新規分子動力学の基礎（MD）材料イノベーション研究に向けて23シミュレーションなどの機能します。
原子論ナノスプリングモデルを作成するための一般的なステップバイステップの手順は、次の要素を使用することを含む：（a）のNanospringCarver（。V 0.5ベータ）コード（オープンサワーC ++言語でCE）、（b）は、バルクシリカガラスモデル（入力ファイル）、（c）は、MATLABのGUIインタフェースおよび関連ファイル、および（d）MATLABソフトウェア（バージョン7）LINUX PC上のローカルライセンスを使用。アイテムは、（a） – （NanospringCarverコード、石英ガラスモデル、MATLAB GUIファイル）上記の（c）は、オンライン26をダウンロードして無料である。 MATLAB（マトリックス研究所）は、主にデータの可視化および解析、画像処理、計算生物学のために使用されるのMathWorks 24から数値計算、可視化、およびアプリケーション開発のための高レベルの言語である。
Protocol
Representative Results
Discussion
nanohelical構造を作成するための元のアプローチの変更は、最初のバルクシリカガラスMDモデルからナノリボン及びナノスプリングの両方の生成を可能にするために二つの別個のコードの開発につながった。シリカナノリボン及びナノスプリングモデルの検証は、プログラムの測定能力の範囲内で、その寸法精度が確認された別のソフトウェアパッケージ19-20を使用して追求された。ナ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、このプロジェクトでの彼の援助のためUCマーセドでティム·アリスに感謝したいと思います。 UCMでのNSF-COINSプログラムは、この作品の前半に（KAM）をサポートしていました。 NSF-ブリッジが賞は、会議にこの仕事と旅費のための資金を提供し、共著者（BNDおよびKAM）をサポートしていました。
研究グループは、ブリッジが賞を経由して、この作業に資金を供給するために、主に国立科学財団を承認することを望む。この材料は、グラント番号1032653の下で国立科学財団によってサポートされている作業に基づいています。
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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