Масштабируемые Nanohelices для интеллектуального исследований и Enhanced 3D визуализация

Summary

Точная моделирование nanohelical структур имеет важное значение для прогнозирования исследований моделирования ведущих к новым приложениям нанотехнологий. В настоящее время, пакеты программного обеспечения и коды ограничены в создании атомистических спиральные модели. Мы представляем две процедуры, направленные на создание атомистических модели nanohelical для моделирования, и графический интерфейс для расширения научных исследований через визуализацию.

Abstract

Весенние-как материалы широко распространены в природе и интерес в области нанотехнологий для сбора энергии, хранения водорода, и приложений биологических зондирования. Для прогнозирования моделирования, она становится все более важным, чтобы иметь возможность моделировать структуру nanohelices точно. Для изучения влияния локальной структуры на свойства этих сложных геометрий необходимо разработать реалистичные модели. На сегодняшний день, пакеты программного обеспечения весьма ограничены в создании атомистических спиральные модели. Эта работа сосредоточена на производстве атомистических модели кварцевого стекла (SiO ₂₎ наноленты и нанопружины для молекулярной динамики (МД) моделирования. Использование MD модель "масса" из кварцевого стекла, двух вычислительных процедур точно сформировать форму нанолент и нанопружины представлены. Первый метод использует язык программирования с открытым исходным кодом AWK эффективно вырезать различные формы кремнезема нанолент с Initial основная модель, используя желаемые размеры и параметрические уравнения для определения спираль. С помощью этого метода, точные атомистические наноленты кремнезема могут быть сгенерированы для диапазона значений основного тона и размеров. Второй способ предполагает более надежный код, который позволяет гибко моделирование nanohelical структур. Этот подход использует C ++ код в частности письменное, чтобы внедрить методы предварительного отбора, а также математические уравнения для спирали, что приводит к большей точности и эффективности при создании модели nanospring. Используя эти коды, четко определены и масштабируемые наноленты и нанопружины подходят для атомистического моделирования может быть эффективно созданы. Добавленная стоимость в обоих кодов с открытым исходным кодом, что они могут быть адаптированы воспроизводить различные спиральные структуры, независимо от материала. Кроме того, MATLAB графический интерфейс пользователя (GUI) используется для повышения качества обучения посредством визуализации и взаимодействия для обычного пользователя с атомистической вертолетаские структуры. Одно из применений этих методов является недавнее исследование nanohelices через МД для механических целей сбора энергии.

Introduction

Спиральные наноструктуры обычно получают в лаборатории с использованием методики ^1-2 химического осаждения из паровой, в то время как новые подходы были описаны в литературе ^3. В частности нанопружины и наноленты были изучены из-за их различных свойств и перспективных приложений в датчиков, оптики и электромеханических и жидкостных устройств ^4-7. Методы синтеза были зарегистрированы для получения кремния (SiO ₂₎ наноленты, что делает эти структуры потенциальных строительный блок единиц для иерархических систем. Роман синтез 3D кремнезема нанопружины расширила свои приложения на хеморезисторы когда покрыты ZnO ⁸ или наночастиц для диагностики приложений ^9-10.

Экспериментальные исследования механических свойств кремния нанопружины и нанолент не хватает, прежде всего, из-за существующих ограничений в манипуляционных и тестирования методов и оборудовант. Расследование наномеханики наноструктур и нанопружины сообщалось, используя теорию и моделирования ^11-14. Некоторые расчеты ¹³ были сосредоточены на наномеханического поведения аморфных нанопружины, потому что они могут исследовать режимы не полностью доступные с помощью экспериментов. Атомистическое исследования металлических нанопружины были зарегистрированы в литературе исследована зависимость размера упругих свойств ^15, а в последнее время в наномеханика из спиральной кристаллического диоксида кремния наноструктур ^14. Экспериментальная проверка nanospring структур также были выполнены из различных материалов, таких как винтовых углеродных наноструктур и углеродные nanocoils ^16-17. Несмотря накопленный к настоящему моменту, более полное понимание механических свойств этих новых наноструктур необходим для будущих усилий Наноустройство изготовления.

Как MD исследований кварцевого гЛасс (не кристаллический кремнезем) nanohelices все еще весьма ограничены, атомная моделирование таких структур требует создания специализированных кодов. Никакие другие альтернативные методы создания кварцевого стекла спиральные модели MD не были определены до сих пор на недавнем поиска литературы. В этой работе, снизу вверх, чтобы атомистической моделирования винтовых кварцевого стекла наноструктур в том числе нанопружины и нанолент преследуется для будущих крупномасштабных MD наномеханических моделирования. Общий подход предполагает создание "объемной" стеклянной модели кремнезема MD, как сообщалось ранее ^18, и вырезая различные спиральные наноструктуры из этого «объемной» образца через два надежных и адаптируемых компьютерных кодов, разработанных для этой цели. Обе процедуры расчетов предлагают отличный способ создать модели nanoribbon и nanospring с большой эффективностью и атомистического подробно; эти структуры подходят для крупномасштабных атомистического моделирования.Кроме того, настроили графический пользовательский интерфейс используется для облегчения создания и визуализации спиральных структур.

Структура кварцевого стекла модели "насыпной" первоначально создана при комнатной температуре. Крупномасштабные МД проводятся для этой цели, используя Garofalini межатомного потенциала похож на предыдущих исследованиях ^18, что является относительно эффективным в вычислительном и подходит для больших систем. Первоначальный "масса" кварцевое стекло структура состоит из кубического модели (14,3 х 14,3 х 14,3 нм ^3), которая содержит 192 000 атомов. Кварцевого стекла модель "масса" уравновешивают при 300 К в течение 0,5 нс, чтобы получить начальное состояние с помощью периодических граничных условий.

Два вычислительных процедур разработаны и использованы для создания атомистических кремния nanoribbon и nanospring модели. Первый метод предполагает вырезая кремнезема наноленты от"Основная" структура, используя параметрические уравнения, определяющие спираль, и его геометрия (шаг, радиус спирали, и радиус провода). Эта процедура включает в себя использование языка AWK программирования, операционной системы Linux, и программное обеспечение с открытым исходным кодом для визуализации ^19. Общая итерационная процедура для создания атомистических модели нанолент включает: (1) выбор атом в стеклянной модели кремнезема "объемной", (2) вычисления расстояния от выбранного атома в точку в пространстве по заранее определенной спиральной функции, (3) сравнивая эту дистанцию ​​с радиусом желаемой nanoribbon, и (4) утилизацией или сохраняя атом в модели выходных данных. Подробный шаг за шагом описание для данного метода входит в Кодексов Scalable Open-Source дополнительного материала. С помощью этого метода, несколько наноленты кремния были созданы с использованием различных шаг, радиус спирали и радиус nanoribbon значений, которые были впоследствии оцениватьсядля точности против желаемых мерных величин с молекулярного анализа и визуализации программного обеспечения ^19-20. Атомистическое модели кремнезема нанолент были получены с функциональными геометрии (высоких значениях поля и низких значений радиуса nanoribbon). Некоторые артефакты, состоящий из атомов исключенных по ошибке, что приводит к менее гладкую поверхность nanoribbon, наблюдались при чрезвычайно высоких значений радиуса nanoribbon и экстремально низких значений основного тона. Аналогичные методы были использованы в процессе создания нанопроводов оксида кремния ^21-23.

Второй метод, представленный здесь включает вырезая кремнезема нанопружины от «объемной» структурой кремнезема путем внедрения методов предварительного скрининга с целью повышения эффективности в дополнение к математическим уравнениям для спирали. Эта процедура требуется создание более надежной C ++ код, чтобы позволить большую гибкость в моделировании этих спиральные наноструктуры. Итерационный метод для создания atomisTIC модели нанопружины включает в себя: (1) отбрасывая все атомы гарантированно выходят за спиральной траектории, (2) детерминировано выбора точки на спиральной траектории, (3) сравнение всех атомов в пределах определенного расстояния к этой выбранной точке, и (4 ) утилизацией или хранением каждый атом в модели выходных данных. Шаг за шагом описание для этого метода также включены в коды Open-Source масштабируемой Справочная Материал. С помощью этого метода, несколько моделей кремния nanospring были получены с различными размерами (радиус проволоки, радиус спирали и шаг nanospring) как показано на рисунке 1. Модели Высокоточная кремнезема nanospring были получены эффективно с помощью этого метода, без признаков артефактов, найденных в крайности (низкие и высокие) значения шага для nanospring. Создание и использование графического интерфейса пользователя для этого метода описан в разделе протокола.

<p class="jove_content" fo:keep-together.withв-странице = "всегда">
Рисунок 1:. Вообще спиральная структура показывая характерные размеры, где г, R и р представляют радиус проволоки, радиус спирали и шаг соответственно H обозначает общую высоту спиральной структуры ^23.

Этот протокол описывает, как подготовить NanospringCarver файлов, запуска MATLAB ²⁴ на LINUX ²⁵ ПК, и использовать графический интерфейс пользователя для подготовки атомистических модели nanospring. Эти ранее недоступные модели служат в качестве основы для новых молекулярной динамики (МД) моделирования ²³ к инновационной материалы исследований.

Общий шаг за шагом процедуры для создания атомистических модели nanospring предполагает использование следующих элементов: (а) NanospringCarver (. V 0.5 бета) код (открытым кислыйсе в языке Си ++), (б) стекло модель масса кремнезема (входной файл), (в) MATLAB графический интерфейс и связанные с ним файлы, и (d) обеспечение MATLAB (версия 7), используя местную лицензию на Linux PC. Элементы (а) – (с) выше (NanospringCarver кода, кварцевое стекло модели, MATLAB GUI-файлы) можно загрузить бесплатно на сайте ^26. MATLAB (Matrix Laboratory) является языком высокого уровня для численных вычислений, визуализации и разработки приложений от MathWorks ^24, который в основном используется для визуализации и анализа данных, обработка изображений и вычислительной биологии.

Protocol

1. Подготовка NanospringCarver файлов и запуск MATLAB на ПК LINUX Следующие шаги предназначены для обычного пользователя, чтобы использовать файлы, предусмотренных онлайн 26. Распакуйте архив nanosprings.tar.gz файла в "Home" или другом предпочтительном каталоге. ?…

Representative Results

Атомистической модели nanoribbon созданные с первым вычислительной процедуры (нанолент кода) и связанные с ними размеры приведены на рисунке 9. Полученные модели nanospring помощью второй вычислительную процедуру (нанопружины кода) и связанные с ними размеры показаны на рисунке 10.<…

Discussion

Изменение первоначального подхода для создания nanohelical структур привели к разработке двух различных кодов, чтобы позволить создание обоих нанолент и нанопружины от начального масса кварцевого стекла MD модели. Проверка кремния nanoribbon и nanospring моделей преследовали с использованием разли…

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]