Nanohelices قابلة للدراسات التنبؤية وتعزيز التصور 3D
Summary
النمذجة دقيق للهياكل nanohelical مهم للدراسات المحاكاة التنبؤية مما أدى إلى تطبيقات تكنولوجيا النانو جديدة. حاليا، وحزم البرمجيات وقواعد محدودة في خلق نماذج حلزونية يملك ثرواتها فئات. نقدم اثنين من الإجراءات تهدف إلى خلق نماذج لمحاكاة nanohelical يملك ثرواتها فئات، مع واجهة رسومية لتعزيز البحوث من خلال التصور.
Abstract
مواد تشبه الربيع في كل مكان في الطبيعة والاهتمام في تكنولوجيا النانو لحصاد الطاقة، وتخزين الهيدروجين، وتطبيقات الاستشعار البيولوجية. عن المحاكاة التنبؤية، فقد أصبح من المهم بصورة متزايدة لتكون قادرة على تصميم نموذج لهيكل nanohelices بدقة. لدراسة تأثير الهيكل المحلي على خصائص هذه هندستها معقدة لا بد من تطوير نماذج واقعية. حتى الآن، وحزم البرمجيات محدودة نوعا ما في خلق نماذج حلزونية يملك ثرواتها فئات. يركز هذا العمل على إنتاج نماذج يملك ثرواتها فئات من الزجاج السيليكا (شافي 2) nanoribbons وnanosprings لديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة. باستخدام نموذج MD من "بالجملة" زجاج السيليكا، واثنين من الإجراءات الحسابية لخلق بالضبط شكل nanoribbons وnanosprings يتم عرض. الأسلوب الأول يستخدم لغة البرمجة مفتوحة المصدر والبرمجيات AWK لنحت الأشكال المختلفة على نحو فعال من nanoribbons السيليكا من أنانموذج بالجملة nitial، وذلك باستخدام الأبعاد المطلوبة والمعادلات حدودي لتحديد الحلزون. مع هذا الأسلوب، يمكن أن تتولد دقيقة nanoribbons السيليكا يملك ثرواتها فئات لمجموعة من القيم وأبعاد الملعب. الطريقة الثانية تشمل على رمز أقوى مما يتيح مرونة في الهياكل النمذجة nanohelical. هذا النهج يستخدم ل++ رمز C مكتوبة خاصة لتنفيذ أساليب ما قبل الفحص، وكذلك المعادلات الرياضية لالحلزون، مما أدى إلى مزيد من الدقة والكفاءة عند إنشاء نماذج nanospring. باستخدام هذه الرموز، واضحة المعالم وقابلة للتطوير وnanoribbons nanosprings مناسبة لمحاكاة يملك ثرواتها فئات يمكن إنشاؤها على نحو فعال. قيمة مضافة في كل من رموز المصدر المفتوح هو أنها يمكن تكييفها لإعادة إنتاج هياكل حلزونية مختلفة ومستقلة من المواد. وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام واجهة المستخدم الرسومية MATLAB (GUI) لتعزيز التعلم من خلال التصور والتفاعل للمستخدم عام مع طائرات الهليكوبتر ذريهياكل كال. تطبيق واحد من هذه الأساليب هو دراسة حديثة من nanohelices عبر MD المحاكاة لأغراض حصاد الطاقة الميكانيكية.
Introduction
ويتم إنتاج النانو حلزونية عادة في المختبر باستخدام تقنيات ترسيب البخار الكيميائي 1-2، في حين تم الإبلاغ عن أساليب جديدة في الأدب 3. على وجه الخصوص وقد تم دراسة nanosprings وnanoribbons بسبب خصائصها المتميزة والتطبيقات الواعدة في أجهزة الاستشعار، والبصريات، والأجهزة الكهربائية والموائعية 4-7. وقد تم الإبلاغ عن أساليب تجميع لإنتاج السيليكا (شافي 2) nanoribbons، مما يجعل هذه الهياكل وحدات بنة المحتملة لأنظمة هرمية. تركيب رواية nanosprings السيليكا 3D توسعت طلباتهم الى chemiresistors عندما المغلفة مع أكسيد الزنك النانوية أو 8 لتطبيقات تشخيصية 9-10.
الدراسات التجريبية على الخواص الميكانيكية للnanosprings السيليكا وnanoribbons نادرة، ويرجع ذلك أساسا إلى القيود الحالية في أساليب التلاعب والاختبار وصناعة اجهزةالإقليم الشمالي. وقد تم الإبلاغ عن التحقيقات في ميكانيكا النانو النانو وnanosprings باستخدام نظرية المحاكاة و11-14. وقد ركزت بعض المحاكاة 13 على السلوك النانوميكانيكية من nanosprings غير متبلور لأنها يمكن استكشاف الأنظمة لا يمكن الوصول إليها بشكل كامل من خلال التجريب. وقد تم الإبلاغ عن الدراسات ذري من nanosprings المعدنية في الأدب للتحقيق الاعتماد حجم خصائص المرونة 15، ومؤخرا ميكانيكا النانو بلورية من حلزوني النانو السيليكا 14. كما تم إجراء الاختبار التجريبي الهياكل nanospring في مواد مختلفة مثل الكربون النانو حلزونية و nanocoils الكربون 16-17. على الرغم من المعرفة تجمعت حتى الآن، وهناك حاجة إلى فهم أكثر اكتمالا من الخواص الميكانيكية لهذه النانو جديدة لجهود nanodevice تلفيق المستقبلية.
عن دراسات MD السيليكا زما زالت معشوقة (غير البلورية السيليكا) nanohelices محدودة جدا، والنمذجة ذري مثل هذه الهياكل يتطلب إنشاء رموز مخصصة. لم يتم تحديد أي وسائل بديلة أخرى لخلق زجاج السيليكا نماذج MD حلزونية حتى الآن على البحث الأدب الحديث. في هذا العمل، ومتابعة نهج من أسفل إلى أعلى لنمذجة ذري من حلزونية النانو زجاج السيليكا بما في ذلك nanosprings وnanoribbons على نطاق واسع المحاكاة MD النانوميكانيكية المستقبلية. النهج العام يتضمن إنشاء MD "بالجملة" نموذج زجاج السيليكا كما ذكرت سابقا 18، ونحت من مختلف النانو حلزونية من هذا "الجزء الأكبر" عينة عن طريق اثنين من رموز الكمبيوتر قوية وقابلة للتكيف وضعت لهذا الغرض. كلا الإجراءات الحسابية توفر وسيلة متميزة لخلق nanoribbon وnanospring نماذج بقدر كبير من الكفاءة والتفصيل الذري. هذه الهياكل هي مناسبة لمحاكاة يملك ثرواتها فئات واسعة النطاق.وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام مخصصة واجهة المستخدم الرسومية لتسهيل إنشاء والتصور للهياكل حلزونية.
يتم إنشاء هيكل "بالجملة" نموذج زجاج السيليكا في البداية في درجة حرارة الغرفة. وتجرى عمليات المحاكاة MD على نطاق واسع لهذا الغرض باستخدام Garofalini بين العناصر إمكانات مشابهة لدراسات مسبقة 18، والتي تتسم بالكفاءة نسبيا حسابيا ومناسبا لأنظمة كبيرة. ويتكون هيكل "بالجملة" زجاج السيليكا الأولي للنموذج تكعيبي (14.3 X 14.3 X 14.3 نانومتر 3) الذي يحتوي على 192000 الذرات. ومعايرتها "بالجملة" نموذج زجاج السيليكا في 300 K 0.5 NSEC للحصول على الحالة الأولية باستخدام شروط الحدود دورية.
تم تصميم اثنين من الإجراءات الحسابية والاستفادة منها لخلق nanoribbon السيليكا وnanospring نماذج يملك ثرواتها فئات. يتضمن الأسلوب الأول مقتطعة من nanoribbons السيليكاو"بالجملة" هيكل باستخدام المعادلات المعلمية التي تحدد الحلزون، والهندسة في (الملعب، دائرة نصف قطرها من الحلزون، ونصف قطر الأسلاك). ويشمل هذا الإجراء باستخدام لغة البرمجة AWK، نظام التشغيل لينكس، والمصدر المفتوح التصور البرمجيات 19. الإجراء تكرارية العام لخلق نماذج يملك ثرواتها فئات من nanoribbons يشمل: (1) اختيار الذرة في "بالجملة" نموذج زجاج السيليكا، (2) حساب المسافة من الذرة المحدد إلى نقطة في الفضاء على وظيفة حلزونية محددة مسبقا، (3) مقارنة هذه المسافة إلى نصف قطر nanoribbon المطلوب، و (4) أو رميه حفظ الذرة في نموذج بيانات الناتج. يتم تضمين خطوة بخطوة صفا مفصلا لهذا الأسلوب في رموز قابلة للتطوير المصدر المفتوح المواد التكميلية. مع هذا الأسلوب، تم إنشاء عدة nanoribbons السيليكا باستخدام الملعب مختلفة، دائرة نصف قطرها من الحلزون ونصف قطرها nanoribbon القيم التي تم قياسها لاحقاللتأكد من دقتها ضد القيم الأبعاد المرجوة مع التحليل الجزيئي والبرمجيات التصور 19-20. تم إنشاء نماذج ذري من nanoribbons السيليكا مع هندستها الوظيفية (قيم عالية من الملعب والقيم المنخفضة من دائرة نصف قطرها nanoribbon). بعض القطع الأثرية، التي تتكون من ذرات استبعاد الخطأ، مما يؤدي إلى سطح nanoribbon أقل على نحو سلس، لوحظ ارتفاع في قيم جدا قطرها nanoribbon والقيم الملعب منخفضة للغاية. وقد استخدمت أساليب مماثلة في عملية خلق أسلاك السيليكا 21-23.
الطريقة الثانية المعروضة هنا تشمل نحت من nanosprings السيليكا من "بالجملة" هيكل السيليكا عن طريق تطبيق أساليب ما قبل الفحص لزيادة كفاءة بالإضافة إلى المعادلات الرياضية لولب. يتطلب هذا الإجراء بإنشاء C ++ رمز أكثر قوة للسماح بمزيد من المرونة في نمذجة هذه النانو حلزونية. طريقة تكرارية لخلق atomis نماذج من التشنج nanosprings ما يلي: (1) نبذ كل ذرات مضمونة لتقع خارج مسار حلزوني، (2) اختيار حتمي نقطة على مسار حلزوني، (3) المقارنة بين جميع الذرات على مسافة محددة لهذه النقطة المختارة، و (4 ) التخلص أو تخزين كل ذرة في نموذج بيانات الناتج. ويرد وصف خطوة بخطوة لهذا الأسلوب أيضا في تحجيم رموز المفتوح المصدر التكميلي المواد. مع هذا الأسلوب، تم الحصول على عدة نماذج السيليكا nanospring ذات أبعاد مختلفة (نصف قطر الأسلاك، دائرة نصف قطرها من الحلزون، والملعب من nanospring)، و هو مبين في الشكل (1). وقد تم الحصول على نماذج nanospring السيليكا عالية الدقة بكفاءة مع هذا الأسلوب، مع عدم وجود دليل على القطع الأثرية التي عثر عليها في أقصى القيم الملعب (المنخفضة والعالية) لnanospring. ووصف إنشاء واستخدام واجهة المستخدم الرسومية لهذا الأسلوب في قسم البروتوكول.
<p class="jove_content" fo:keep-together.withفي صفحة = "دائما">
الشكل 1: بنية حلزونية العام تظهر أبعاد مميزة، حيث تمثل R، R و p نصف قطر الأسلاك، دائرة نصف قطرها من الحلزون، والملعب على التوالي يدل H الارتفاع الكلي للبنية حلزونية 23.
يصف هذا البروتوكول كيفية إعداد الملفات NanospringCarver، MATLAB تشغيل 24 على جهاز كمبيوتر لينكس 25، واستخدام واجهة المستخدم الرسومية لإعداد نماذج nanospring يملك ثرواتها فئات. هذه النماذج متوفرة سابقا تخدم كأساس لديناميات الجزيئية الجديدة (MD) المحاكاه نحو 23 بحوث المواد الابتكار.
خطوة بخطوة إجراء عام لخلق نماذج nanospring يملك ثرواتها فئات ينطوي استخدام العناصر التالية: (أ) NanospringCarver (الخامس 0.5 بيتا) رمز (مفتوح الحامضم في لغة C ++) و (ب) السيليكا بالجملة نموذج الزجاج (ملف المدخلات)، (ج) MATLAB واجهة المستخدم الرسومية والملفات ذات الصلة، و (د) برنامج MATLAB (الإصدار 7) باستخدام رخصة المحلي على جهاز كمبيوتر لينكس. البنود (أ) – (ج) أعلاه (رمز NanospringCarver، نموذج زجاج السيليكا، ملفات MATLAB GUI) أحرار في تحميل الانترنت 26. MATLAB (مختبر المصفوفة) هي لغة عالية المستوى للحساب العددي، والتصور، وتطوير التطبيقات من ماثووركس 24، والذي يستخدم في الغالب لتصور البيانات وتحليلها، ومعالجة الصور، وعلم الأحياء الحسابي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تعديل النهج الأصلي لإنشاء الهياكل nanohelical أدت إلى تطوير اثنين من رموز واضحة للسماح بإنشاء كلا nanoribbons وnanosprings من السيليكا بالجملة نموذج الزجاج MD الأولي. وقد تابعت التحقق من nanoribbon السيليكا وnanospring النماذج باستخدام حزم البرامج المختلفة 19-20، الذي أكد دقتها الأبعاد ض?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر تيم أليس في جامعة كاليفورنيا الرحمة لمساعدته في هذا المشروع. برنامج NSF-القطع النقدية في UCM يدعم (كام) في الجزء الأول من هذا العمل. جائزة NSF-BRIGE دعمت المؤلفين (BND وكام)، وتوفير الأموال اللازمة لهذا العمل ونفقات السفر للمؤتمرات.
وترغب المجموعة البحثية أن نعترف في المقام الأول المؤسسة الوطنية للعلوم من أجل تمويل هذا العمل عن طريق منح BRIGE. ويستند هذه المواد على العمل بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية في إطار منحة رقم 1032653.
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] |
References
- 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)
