Schaalbare Nanohelices voor Predictive Studies en Enhanced 3D Visualisatie
Summary
Nauwkeurige modellering van nanohelical structuren is van belang voor voorspellende simulatie studies die leiden tot nieuwe toepassingen van nanotechnologie. Momenteel, softwarepakketten en codes zijn beperkt in het creëren van atomistische spiraalvormige modellen. We presenteren twee procedures ontwikkeld om atomistische nanohelical modellen te maken voor de simulaties, en een grafische interface om onderzoek door visualisatie te verbeteren.
Abstract
Lente-achtige materialen zijn alomtegenwoordig in de natuur en van de interesse in nanotechnologie voor energie oogsten, de opslag van waterstof, en biologische sensing toepassingen. Voorspellende simulaties is het steeds belangrijker geworden om te kunnen modelleren van de structuur van nanohelices nauwkeurig. Om het effect van lokale structuur eigenschappen van deze complexe geometrieën moet een realistische modellen te ontwikkelen bestuderen. Tot op heden zijn softwarepakketten eerder beperkt in het creëren van atomistische spiraalvormige modellen. Dit werk richt zich op het produceren van atomistische modellen van silica glas (SiO 2) nanoribbons en nanosprings voor moleculaire dynamica (MD) simulaties. Een MD- model van "bulk" silica glas, twee computationele procedures om de vorm van nanoribbons en nanosprings nauwkeurig worden belicht. De eerste methode maakt gebruik van de AWK programmeertaal en open-source software om effectief te snijden verschillende vormen van silica nanoribbons uit de initial bulk model, met behulp van de gewenste afmetingen en parametrische vergelijkingen om een helix te definiëren. Met deze methode kan accurate atomistische silica nanoribbons gegenereerd worden voor een reeks van toonhoogte waarden en dimensies. De tweede methode houdt in een meer robuuste code die flexibiliteit mogelijk maakt in het modelleren nanohelical structuren. Deze benadering maakt gebruik van een C ++ code bijzonder geschreven vooraf screeningsmethoden en de wiskundige vergelijkingen voor een helix voeren, resulterend in grotere precisie en efficiëntie bij het maken nanospring modellen. Met behulp van deze codes, goed gedefinieerd en schaalbare nanoribbons en nanosprings geschikt voor atomaire simulaties effectief kan worden gecreëerd. Meerwaarde in zowel open source codes is dat ze kunnen worden aangepast aan verschillende spiraalvormige structuur, onafhankelijk van materiaal te reproduceren. Daarnaast wordt een MATLAB grafische user interface (GUI) gebruikt om de leerstof door visualisatie en interactie voor een algemene gebruiker met de atomaire helical structuren. Een toepassing van deze methoden is de recente studie van nanohelices via MD simulaties voor mechanische energie oogsten doeleinden.
Introduction
Helical nanostructuren worden typisch geproduceerd in het laboratorium met behulp van chemical vapour deposition technieken 1-2, terwijl nieuwe benaderingen zijn in de literatuur 3. In het bijzonder nanosprings en nanoribbons zijn bestudeerd omwille van hun verschillende eigenschappen en veelbelovende toepassingen in sensoren, optica, en elektromechanische en fluïduminrichtingen 4-7. Synthesewerkwijzen gemeld aan siliciumdioxide (SiO2) nanoribbons produceren die deze structuren potentieel bouwsteen eenheden hiërarchische systemen. Novel synthese van 3D silica nanosprings heeft hun applicaties uitgebreid met chemiresistors wanneer bekleed met ZnO 8 of nanodeeltjes voor diagnostische toepassingen 9-10.
Experimentele studies naar de mechanische eigenschappen van silica nanosprings en nanoribbons zijn schaars, vooral als gevolg van de huidige beperkingen in manipulatie en testmethoden en equipment. Onderzoeken naar de nanomechanica van nanostructuren en nanosprings zijn gemeld met behulp van theorie en simulaties 11-14. Sommige simulaties 13 hebben zich gericht op nanomechanical gedrag van amorfe nanosprings omdat ze regimes niet volledig toegankelijk door middel van experimenten kunnen verkennen. Atomistische studies van metallic nanosprings zijn gemeld in de literatuur aan de grootte afhankelijkheid van elastische eigenschappen 15 te onderzoeken, en meer recent de nanomechanica van spiraalvormige kristallijne silica nanostructuren 14. Experimentele testen van nanospring structuren is ook uitgevoerd in verschillende materialen zoals spiraalvormige koolstofnanostructuren en carbon nanocoils 16-17. Ondanks verzamelde de kennis tot nu toe, is een meer volledig begrip van de mechanische eigenschappen van deze nieuwe nanostructuren die nodig is voor toekomstige nanodevice fabricage inspanningen.
Als MD studies silica glass (niet-kristallijne silica) nanohelices zijn nog steeds vrij beperkt, de atomistische modellering van dergelijke structuren vereist de creatie van aangepaste codes. Geen enkele andere alternatieve methoden van het creëren van silica glas spiraalvormige MD modellen zijn tot nu toe geïdentificeerd op recente literatuuronderzoek. In dit werk wordt een bottom-up benadering van de atomistische modellering van spiraalvormige silica glas nanostructuren inclusief nanosprings en nanoribbons nagestreefd voor toekomstige grootschalige MD nanomechanical simulaties. De algemene aanpak omvat de oprichting van een MD "bulk" silica glas model zoals eerder gemeld 18, en het uithakken van verschillende spiraalvormige nanostructuren van deze "bulk" sample via twee robuuste en flexibele computer codes voor dit doel ontwikkeld. Beide computationele procedures bieden een aparte manier om nanoribbon en nanospring modellen met grote efficiëntie en atomistische detail te creëren; deze structuren zijn geschikt voor grootschalige atomistische simulaties.Daarnaast wordt een aangepaste grafische gebruikersinterface gebruikt creatie en visualisatie van de spiraalvormige structuren vergemakkelijken.
De structuur van de "bulk" kwartsglas model aanvankelijk gemaakt bij kamertemperatuur. Grootschalige MD simulaties worden uitgevoerd voor dit doel gebruik van de Garofalini interatomaire potentiaal vergelijkbaar met eerdere studies 18, die relatief efficiënt computationeel en geschikt voor grote systemen. De aanvankelijke "bulk" silica glazen constructie bestaat uit een kubusvormige model (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm), die 192.000 atomen bevat. De "bulk" silica glas model wordt in evenwicht gebracht bij 300 K voor 0,5 ns naar de oorspronkelijke staat te krijgen met behulp van periodieke randvoorwaarden.
Twee computationele procedures worden ontworpen en gebruikt om atomistische silica nanoribbon en nanospring modellen te maken. De eerste methode houdt in het uithakken van silica nanoribbons uitde "bulk" structuur met behulp van de parametrische vergelijkingen die een helix te definiëren, en de geometrie (toonhoogte, straal van helix, en draad straal). Deze procedure omvat het gebruik van de AWK programmeertaal, het Linux-besturingssysteem, en open-source visualisatie software 19. De algemene iteratieve procedure atomaire modellen nanoribbons maken omvat: (1) het selecteren van een atoom in de "bulk" kwartsglas model, (2) het berekenen van de afstand van de geselecteerde atoom tot een punt in de ruimte op een vooraf gedefinieerde spiraalvormige functie (3) het vergelijken van de afstand tot de radius van de gewenste nanoribbon, en (4) ontdoen of houden het atoom in een output gegevensmodel. Een gedetailleerde stap-voor-stap beschrijving van deze methode is opgenomen in de Scalable Open-Source Codes Aanvullend materiaal. Met deze methode, werden verschillende silica nanoribbons gemaakt met behulp van verschillende toonhoogte, straal van helix en nanoribbon straal waarden, die vervolgens werden gemetenvoor nauwkeurigheid tegen de gewenste dimensionele waarden met moleculaire analyse en visualisatie software 19-20. Atomistische modellen van silica nanoribbons werden gegenereerd met functionele geometrieën (hoge waarden van toonhoogte en lage waarden van nanoribbon straal). Sommige artefacten, bestaande uit atomen uitgesloten fout, waardoor een minder glad oppervlak nanoribbon, waargenomen bij zeer hoge nanoribbon radiuswaarden en extreem lage toonhoogten. Soortgelijke werkwijzen zijn gebruikt bij het maken van silica nanodraden 21-23.
De tweede methode hier gepresenteerde omvat het uithakken van silica nanosprings van de "bulk" silica structuur door de uitvoering van pre-screening methoden om de efficiëntie in aanvulling te verhogen om de wiskundige vergelijkingen voor een helix. Deze procedure vereist het creëren van een meer robuuste C ++ code om meer flexibiliteit in het modelleren van deze spiraalvormige nanostructuren. De iteratieve methode Atomis creërentic modellen nanosprings omvat: (1) weggooien helemaal uit buiten de schroeflijnvormige baan vallen atomen, (2) deterministisch selecteren van een punt op de schroeflijnvormige baan, (3) het vergelijken van alle atomen binnen een bepaalde afstand van dit gekozen punt, en (4 ) weggooid of opslaan van elk atoom in een output datamodel. Een stap-voor-stap beschrijving van deze methode is ook opgenomen in de Scalable Open-Source Codes Aanvullend materiaal. Met deze methode meerdere silica nanospring modellen werden verkregen met gevarieerde afmetingen (draad straal, straal van helix, en de toonhoogte van nanospring) als weergegeven in figuur 1. Zeer nauwkeurige silica nanospring modellen werden efficiënt verkregen met deze methode, met geen bewijs van gevonden artefacten bij extreme (laag en hoog) toonhoogte waarden voor de nanospring. Het creëren en gebruiken van de grafische gebruikersinterface voor deze methode wordt beschreven in het protocol.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always">
Figuur 1. Een algemene helixstructuur tonen karakteristieke afmetingen, waarbij r, R en p de draad straal, straal van helix en pek respectievelijk H geeft de totale hoogte van de helixstructuur 23.
Dit protocol beschrijft hoe voor te bereiden de NanospringCarver bestanden, hardlopen MATLAB 24 op een LINUX 25 PC, en gebruik maken van een grafische gebruikersinterface om atomistische nanospring modellen voor te bereiden. Deze voorheen niet beschikbaar modellen dienen als basis voor nieuwe moleculaire dynamica (MD) simulaties 23 in de richting van materialen innovatie-onderzoek.
De algemene stap-voor-stap procedure om atomistische nanospring modellen te maken gaat met behulp van de volgende elementen: (a) NanospringCarver (. V 0.5 beta) code (open-zurece in C ++ taal), (b) bulk silica glas model (input-bestand), (c) MATLAB GUI-interface en de bijbehorende bestanden, en (d) MATLAB software (versie 7) met behulp van een lokale licentie op een Linux PC. Items (a) – (c) hierboven (NanospringCarver code, silica glas model, MATLAB GUI bestanden) zijn vrij om online 26 downloaden. MATLAB (Matrix Laboratory) is een high-level taal voor de numerieke berekening, visualisatie, en applicatie-ontwikkeling uit MathWorks 24, die meestal wordt gebruikt voor data visualisatie en analyse, beeldverwerking, en computationele biologie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wijziging van de oorspronkelijke benadering van nanohelical structuren heeft geleid tot de ontwikkeling van twee verschillende codes te creëren van zowel nanoribbons en nanosprings toestaan van een eerste bulk silica glas MD model te maken. De verificatie van de silica nanoribbon en nanospring modellen werd voortgezet met behulp van verschillende software pakketten 19-20, die hun maatvastheid binnen de meetcapaciteit van het programma bevestigd. Vergelijking tussen nanosprings en nanoribbons werd ook u…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Tim Allis danken aan UC Merced voor zijn hulp bij dit project. Het NSF-COINS programma op UCM ondersteund (KAM) in een eerste deel van dit werk. Een NSF-BRIGE award ondersteund co-auteurs (BND en KAM), het verstrekken van fondsen voor dit werk en kosten voor conferenties.
Het lectoraat wil in de eerste plaats de National Science Foundation erkennen voor de financiering van deze werkzaamheden via een BRIGE award. Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door de National Science Foundation onder Grant No. 1.032.653.
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] |
Riferimenti
- 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. Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties. Small. 3 (1), 153-160 (2007).
- Cammarata, R. C., Sieradzki, K. Surface and interface stresses. Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).
- Becker, N., et al. Molecular nanosprings in spider capture-silk threads. Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).
- Singh, J. P., Liu, D. -. L., Ye, D. -. X., Picu, R. C., Lu, T. -. M., Wang, G. -. C. Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators. Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).
- Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe. Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).
- Dobrokhotov, V., et al. ZnO coated nanospring-based chemiresistors. J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).
- Sai, V. V. R., et al. Chapter 1: Bio Sensors, Diagnostics & Imaging. Nanotechnology 2010: Bio Sensors, Instruments, Medical, Environment and Energy. , 19 (2010).
- Sai, V. V. R., et al. Silica nanosprings coated with noble metal nanoparticles: highly active SERS substrates. J. Phys. Chem. C. 115 (2), 453-459 (2010).
- Fonseca, d. a., Galvão, A. F., S, D. Mechanical properties of nanosprings. Phys. Rev.Lett. 92 (17), 175502-175505 (2004).
- Zhang, G., Zhao, Y. Mechanical characteristics of nanoscale springs. J. Appl. Phys. 95 (1), 267-271 (2004).
- Fonseca, d. a., Malta, A. F., Galvão, C. P., S, D. Mechanical properties of amorphous nanosprings. Nanotechnology. 17 (22), 5620-5626 (2006).
- Mohedas, I., Garcia, A. P., Buehler, M. J. Nanomechanics of biologically inspired helical silica nanostructures. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: J. Nanoengineering and Nanosystems. 224 (3), 93-100 (2010).
- Chang, I. L., Yeh, M. -. S. An atomistic study of nanosprings. J. Appl. Phys. 104 (2), 0243051-0243056 (2008).
- Poggi, M. A., et al. Measuring the compression of a carbon nanospring. Nano Lett. 4 (6), 1009-1016 (2004).
- Chen, X., et al. Mechanics of a carbon nanocoil. Nano Lett. 3 (9), 1299-1304 (2003).
- Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).
- . Nick Gnedin’s Ionization FRont Interactive Tool (IFrIT) v. 3.2.8 – A general purpose visualization software [Internet] Available from: https://sites.google.com/site/ifrithome/ (2013)
- Silva, E. C. C. M., Tong, L., Yip, S., Van Vliet, K. J. Size effects on the stiffness of silica nanowires. Small. 2 (2), 239-243 (2006).
- Dávila, L. P., Leppert, V. J., Bringa, E. M. The mechanical behavior and nanostructure of silica nanowires via simulations. Scripta Mater. 60 (10), 843-846 (2009).
- Doblack, B. N. . The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems [thesis]. , 55-55 (2013).
- Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet] Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013)
- . Blinkdagger – An Engineering and MATLAB blog [Internet] Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2014)
