Nanoespirais escaláveis ​​para estudos de previsão e melhor visualização 3D

Summary

Modelagem precisa de estruturas nanohelical é importante para estudos de simulação preditiva que levam a novas aplicações da nanotecnologia. Atualmente, os pacotes de software e os códigos são limitados na criação de modelos helicoidais atomistas. Apresentamos dois procedimentos destinados a criar modelos nanohelical atomistas para simulações, e uma interface gráfica para reforçar a investigação através da visualização.

Abstract

Materiais Primavera-like são onipresentes na natureza e de interesse em nanotecnologia para captação de energia, armazenamento de hidrogênio, e aplicações de sensoriamento biológico. Para as simulações preditivos, tornou-se cada vez mais importante para ser capaz de modelar a estrutura de nanoespirais com precisão. Para estudar o efeito da estrutura local sobre as propriedades destas geometrias complexas deve-se desenvolver modelos realistas. Até à data, os pacotes de software são bastante limitados na criação de modelos helicoidais atomistas. Este trabalho centra-se na produção de modelos atomistas de vidro de sílica _(SiO2) e nanofitas nanomolas de dinâmica molecular (MD) simulações. Usando um modelo MD da "massa" de vidro de sílica, dois procedimentos computacionais para criar precisamente a forma de nanofitas e nanomolas são apresentados. O primeiro método utiliza a linguagem de programação de código aberto e software AWK para esculpir eficazmente várias formas de nanofitas de sílica a partir do imodelo de maior nitial, usando dimensões desejadas e equações paramétricas para definir uma hélice. Com este método, nanoribbons sílica atomísticos precisas podem ser geradas para um intervalo de valores de espaçamento e dimensões. O segundo método envolve um código mais robusto que permite flexibilidade na modelagem de estruturas nanohelical. Esta abordagem utiliza um código C ++ especialmente escrito para implementar métodos de pré-triagem, bem como as equações matemáticas para uma hélice, resultando em maior precisão e eficiência ao criar modelos nanospring. Usando esses códigos, bem definida e nanofitas escaláveis ​​e nanomolas adequados para simulações atomísticas pode ser efetivamente criado. Um valor acrescentado em ambos os códigos de fonte aberta é que eles podem ser adaptados para reproduzir diferentes estruturas helicoidais, independentes de material. Além disso, uma interface gráfica de usuário MATLAB (GUI) é usado para melhorar a aprendizagem através da visualização e interação para o usuário em geral com o heli atomísticaestruturas cal. Uma aplicação destes métodos é o estudo recente de nanoespirais via simulações de DM para fins de captação de energia mecânica.

Introduction

Nanoestruturas helicoidais são tipicamente produzidos em laboratório, utilizando técnicas de deposição química de vapor de ^1-2, enquanto que as novas abordagens têm sido relatados na literatura ^3. Em particular nanomolas e nanofitas têm sido estudados devido às suas propriedades distintas e aplicações promissoras em sensores, óptica, e eletromecânicos e dispositivos fluídicos ^4-7. Métodos de síntese têm sido relatados para a produção de sílica _(SiO2) nanoribbons, tornando essas estruturas potenciais unidades de bloco de construção para sistemas hierárquicos. Síntese Novel de nanomolas sílica 3D ampliou suas aplicações para chemiresistors quando revestido com ZnO ⁸ ou nanopartículas para aplicações de diagnóstico ^10/09.

Estudos experimentais sobre as propriedades mecânicas de nanomolas sílica e nanofitas são escassos, principalmente devido às limitações atuais de manipulação e métodos de ensaio e equipamnt. As investigações sobre os nanomecânica de nanoestruturas e nanomolas foram relatados usando a teoria e simulações ^11-14. Algumas simulações ¹³ têm-se centrado no comportamento nanomechanical de nanomolas amorfos, pois eles podem explorar regimes não totalmente acessíveis através da experimentação. Estudos atomística da nanomolas metálicos têm sido relatados na literatura para investigar a dependência tamanho das propriedades elásticas ^15, e mais recentemente os nanomecânica de nanoestruturas de sílica cristalina helicoidal ^14. Teste experimental de estruturas nanospring também foi realizada em diferentes materiais tais como nanoestruturas de carbono e helicoidais nanocoils carbono ^16-17. Apesar do conhecimento até agora reunido, é necessária uma compreensão mais completa das propriedades mecânicas destes novos nanoestruturas para futuros esforços de fabricação nanodevice.

Como os estudos de MD g de sílicalass (sílica não-cristalina) nanoespirais ainda são bastante limitadas, a modelagem atomística de tais estruturas requer a criação de códigos personalizados. Não há outros métodos alternativos de criação de vidro de sílica modelos MD helicoidais foram identificados até agora sobre a pesquisa na literatura recente. Neste trabalho, uma abordagem bottom-up para a modelagem atomística de nanoestruturas de vidro de sílica helicoidais incluindo nanomolas e nanofitas é perseguido para futuras simulações MD nanomecânicos grande escala. A abordagem geral envolve a criação de uma "massa" modelo de vidro de sílica MD conforme relatado anteriormente ^{18 anos,} e conquistando várias nanoestruturas helicoidais a partir desta amostra "massa" através de dois códigos computacionais robustas e adaptáveis ​​desenvolvidos para este fim. Ambos os procedimentos computacionais oferecem uma maneira diferente para criar nanofita e nanospring modelos com grande eficiência e detalhes atomística; estas estruturas são adequadas para atomísticos simulações em grande escala.Além disso, uma interface gráfica de utilizador personalizado é usado para facilitar a criação e visualização das estruturas helicoidais.

A estrutura do modelo de vidro de sílica "a granel" é criado inicialmente à temperatura ambiente. Simulações de DM em larga escala são realizadas para este efeito usando o Garofalini interatómico potencial semelhante aos estudos anteriores ^18, que é relativamente eficiente computacionalmente e adequado para grandes sistemas. A estrutura de "massa" de vidro de sílica inicial consiste em um modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 ³ nm), que contém 192 mil átomos. O modelo de vidro de sílica "a granel" é equilibrada a 300 K durante 0,5 nseg obter o estado inicial usando condições de contorno periódicas.

Dois procedimentos computacionais são projetados e utilizados para criar modelos nanofita sílica e nanospring atomistas. O primeiro método envolve esculpir nanofitas de sílica a partir dea estrutura "a granel", usando as equações paramétricas que definem uma hélice, e sua geometria (pitch, raio da hélice, eo raio do fio). Esse procedimento inclui o uso da linguagem de programação AWK, o sistema operacional Linux e open-source software de visualização ^19. O procedimento iterativo geral para criar modelos de atomísticos nanoribbons envolve: (1) selecção de um átomo no modelo de vidro de sílica "a granel", (2) calcular a distância a partir do átomo seleccionado a um ponto no espaço sobre uma função helicoidal pré-definido, (3) comparar esta distância para o raio do nanofita desejado, e (4) de se desfazer ou mantendo o átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição detalhada passo-a-passo para este método está incluído nos códigos Scalable Open-Source Suplementar Materiais. Com este método, vários nanofitas de sílica foram criados usando tom diferente, o raio de valores hélice e raio nanoribbon, que foram medidos posteriormentede precisão contra os valores dimensionais desejadas com análise molecular e software de visualização ^19-20. Modelos atomistas de nanofitas de sílica foram gerados com geometrias funcionais (altos valores de arremesso e baixos valores de raio nanoribbon). Alguns artefactos, que consiste de átomos de excluídos por engano, o que leva a uma superfície nanofita menos suave, foram observados em excessivamente elevados valores de raio nanofita e valores extremamente baixos de passo. Métodos similares têm sido usadas no processo de criação de nanofios de sílica ^21-23.

O segundo método aqui apresentado inclui esculpir nanomolas de sílica a partir da estrutura de sílica "a granel" pela aplicação de métodos de pré-rastreio para aumentar a eficiência em adição às equações matemáticas para uma hélice. Este procedimento necessário a criação de um código C ++ mais robusta para permitir uma maior flexibilidade na modelagem dessas nanoestruturas helicoidais. O método iterativo para criar atomismodelos de tic nanomolas inclui: (1) descartando todos os átomos garantidos para cair fora da trajetória helicoidal, (2) de forma determinística selecionar um ponto na trajetória helicoidal (3), comparando todos os átomos dentro de uma determinada distância a este ponto selecionado, e (4 ) descartar ou armazenar cada átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição passo-a-passo para este método também está incluído nas escaláveis ​​códigos Open-Source Suplementar material. Com este método, diversos modelos de sílica nanospring foram obtidos com dimensões variadas (raio fio, raio de hélice, e passo de nanospring) como mostrado na Figura 1. nanospring modelos de sílica altamente precisa foram obtidos de forma eficiente com este método, com nenhuma evidência de artefactos encontrados no extremo valores de pitch (alto e baixo) para o nanospring. A criação e utilização da interface gráfica de utilizador para este método é descrito na secção de Protocolo.

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Figura 1:. Uma estrutura helicoidal geral mostrando dimensões características, em que r, R e p representam o raio de arame, raio da hélice, e pitch respectivamente H indica a altura total da estrutura helicoidal ^23.

Este protocolo descreve como preparar os arquivos NanospringCarver, correndo MATLAB ²⁴ em um PC com Linux ^25, e usar uma interface gráfica de usuário para preparar modelos nanospring atomistas. Estes modelos anteriormente indisponíveis servir de base para a dinâmica moleculares (MD) simulações de ²³ para a pesquisa de materiais inovação.

O procedimento geral passo-a-passo para criar modelos nanospring atomísticos envolve o uso dos seguintes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (open-azedoce em linguagem C ++), (b) modelo de vidro de sílica a granel (arquivo de entrada), (c) MATLAB interface gráfica e os arquivos relacionados, e (d) o software MATLAB (versão 7) usando uma licença local em um PC com Linux. Os itens (a) – (c) acima (código NanospringCarver, modelo de vidro de sílica, arquivos MATLAB GUI) são livres para download on-line ^26. MATLAB (Matrix Laboratory) é uma linguagem de alto nível para computação numérica, visualização e desenvolvimento de aplicações de MathWorks ^24, que é usado principalmente para a visualização e análise de dados, processamento de imagem, e biologia computacional.

Protocol

1. Preparando os arquivos NanospringCarver e iniciando MATLAB em um PC com Linux Os passos seguintes são projetados para um usuário em geral para fazer uso dos arquivos fornecidos em linha 26. Descompacte o arquivo arquivo nanosprings.tar.gz para o "Home" ou outro diretório preferido. Baixe o arquivo de ficheiros nanosprings.tar.gz do repositório web 26. Localize o arquivo baixado e mova-o par…

Representative Results

Os modelos nanoribbon atomísticos criados com o primeiro procedimento computacional (código nanoribbons) e as suas dimensões associados são mostrados na Figura 9. Os modelos nanospring resultantes usando o segundo procedimento computacional (nanomolas código) e dimensões associados são mostrados na Figura 10. <img alt="Figura 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="500" /…

Discussion

Modificação da estratégia original para criar estruturas nanohelical levaram ao desenvolvimento de dois códigos distintos, para permitir a criação de ambas as nanoribbons e nanomolas a partir de um modelo MD vidro de sílica inicial a granel. A verificação dos modelos nanofita sílica e nanospring foi perseguido utilizando diferentes pacotes de software ^19-20, que confirmaram a sua precisão dimensional dentro da capacidade de medição dos programas. Comparação entre nanomolas e nanoribbons também…

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]