可扩展的Nanohelices的预测研究和增强的3D可视化
Summary
nanohelical结构的精确建模是预测模拟研究导致了新的纳米技术应用很重要。目前，软件包和代码创建原子论螺旋模型的限制。我们提出旨在打造原子论nanohelical模型模拟两个程序，和一个图形界面，以提高通过可视化的研究。
Abstract
弹簧状材料是无处不在的能量采集，储氢，以及生物传感应用纳米技术的兴趣的性质和。用于预测性模拟中，它已成为日益重要的是能够以nanohelices的结构精确地模拟。研究局部结构对这些复杂的几何形状必须制定切合实际的模型性能的影响。迄今为止，软件包相当有限，创造原子论螺旋模型。这项工作的重点是生产石英玻璃的原子模型（SiO 2）的纳米带和纳米弹簧的分子动力学（MD）模拟。使用“批量”石英玻璃，两种计算过程的MD模型来精确地产生纳米带和纳米弹簧的形状呈现。第一种方法采用AWK编程语言和开源软件来有效地瓜分二氧化硅纳米带的各种形状的我nitial批量模型，使用所需的尺寸和参数方程定义一个螺旋。用这种方法，可以为一系列音调值和尺寸来生成准确的原子论二氧化硅纳米带。第二种方法是一种更健壮的代码，它允许灵活地建模nanohelical结构。该方式利用特别写入执行预筛选方法以及数学方程为一个螺旋线，在创建nanospring模型时产生更大的精度和效率的C ++代码。使用这些代码，定义良好的和可扩展的纳米带和纳米弹簧适于原子仿真可以有效地创建。在两个开放源码的附加价值在于它们可适于再现不同螺旋结构，独立的材料制成。此外，一个MATLAB的图形用户界面（GUI），用于增强通过可视化和交互学习与原子论直升机一般用户CAL结构。这些方法的一个应用是nanohelices通过分子动力学模拟的最近研究了机械能收获的目的。
Introduction
螺旋形的纳米结构通常产生在实验室使用化学气相沉积技术1-2，而新的方法已经在文献中报道3。特别是纳米弹簧和纳米带进行了研究，因为其独特的性质和在传感器，光学和机电和流体装置4-7具有应用前景的。合成方法已被报道，以产生二氧化硅（SiO 2）的纳米带，使得这些结构潜在积木单元分层系统。三维硅纳米弹簧新的合成时使用ZnO 8或纳米颗粒用于诊断9-10涂扩大其应用到化学电阻。
在二氧化硅纳米弹簧和纳米带的力学性能试验研究很少，主要是由于在操作和测试方法和equipme电流限制新台币。调查的纳米结构和纳米弹簧的纳米力学使用的理论和模拟11-14已有报道。有些模拟13集中在非晶纳米弹簧的纳米力学行为，因为他们可以探索制度通过试验没有完全访问。金属纳米弹簧的原子论研究已在文献中报道，调查大小弹性特性15的依赖，以及最近的螺旋形的结晶二氧化硅的纳米结构的纳米力学14。也已在不同的材料进行nanospring结构的实验测试，如螺旋形的碳纳米结构和碳纳米卷16-17。尽管知识收集迄今为止，这些新的纳米结构的机械性能的更完整的理解是需要未来的纳米器件的制造工作。
由于二氧化硅克MD研究姑娘（非晶体硅）nanohelices还很有限，这种结构的原子建模需要创建自定义的代码。创建石英玻璃螺旋MD机型没有其他替代方法已经确定迄今在最近的文献检索。在这项工作中，一个自下而上的方法，以螺旋石英玻璃的纳米结构，包括纳米弹簧和纳米带的原子模型是对追求未来大规模MD纳米机械模拟。一般的处理方法包括建立一个MD“散”石英玻璃模型如先前报道18，并通过为此开发了两种强大的可适应的计算机代码雕刻出这种“批量”样不同的螺旋纳米结构。这两种计算方法提供了一个独特的方式创造纳米带和nanospring车型以极高的效率和原子论的细节;这些结构适合于大规模的原子论模拟。此外，定制的图形用户界面，用于促进建立所述螺旋结构的可视化。
最初在室温下创建的“散装”石英玻璃模型的结构。大规模的分子动力学模拟的进行使用Garofalini为此原子间作用势类似于以前的研究18，它是相对高效的计算，并适用于大系统。最初的“批量”石英玻璃的结构包括一个立方体的模型（14.3 X 14.3 X 14.3纳米3），其中包含192,000原子。的“散装”石英玻璃模型平衡在300K为0.5纳秒使用周期边界条件，得到的初始状态。
两种计算方法的设计和利用，以创造原子二氧化硅纳米带和nanospring车型。第一种方法包括雕刻出由硅石纳米带使用定义的螺旋线的参数方程的“散装”结构，其几何形状（间距，螺旋线的半径，和导线半径）。这个过程包括使用AWK编程语言，Linux操作系统，开源可视化软件19。一般的迭代过程来创建纳米带的原子论模型包括：（1）选择的原子中的“散装”石英玻璃模型，（2）计算从所选择的原子的距离的点在空间上的预先定义的螺旋形函数， （3）该距离进行比较，以所期望的纳米带的半径，和（4）丢弃或保持原子中的输出数据的模式。详细的一步一步的说明对这一方法包括在可扩展的开放式源 代码补充材料 。用这种方法，使用不同的螺距，螺旋和纳米带的半径值半径，随后被测量创建了几个二氧化硅纳米带为防止与分子分析和可视化软件19-20所需的尺寸值精度。功能性几何形状（间距高价值和纳米带的半径值低）生成的二氧化硅纳米带的原子模型。一些伪像，由原子排除错误的，导致欠光滑纳米带表面，在非常高的纳米带的半径值和极低的音调值的变化。类似的方法已被用于在创建的二氧化硅纳米线21-23的过程。
这里介绍的第二种方法包括雕刻出的二氧化硅纳米弹簧从“本体”的二氧化硅结构通过实施预筛选方法，以提高效率，除了数学方程为一个螺旋线。这个过程需要创造一个更强大的C ++代码以允许在模拟这些螺旋形的纳米结构具有更大的灵活性。迭代方法创建atomis纳米弹簧的抽搐模型包括：（1）丢弃保证落在螺旋路径以外的所有原子，（2）确定性螺旋路径上选择一个点，（3）进行比较的特定距离内的所有原子到这个所选择的点，和（4 ）丢弃或存放在输出数据模型中的每个原子。甲一步一步说明对这一方法也被包括在补充材料。使用这种方法，几个二氧化硅nanospring模型具有不同的尺寸（半径线，螺旋线的半径，和nanospring的间距）中得到的可扩展开放式源 代码在图1中所示的高精度石英nanospring模型，用该方法有效地获得，没有证据发现在极端的nanospring（低和高）的间距值的工件。的创建和使用此方法的图形用户界面中的协议部分中进行说明。
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图1：表示特征尺寸，其中r，R和 P分别表示所述电线的半径，螺旋线的半径，和音调的一般螺旋结构 H表示螺旋结构23的总高度。
这个协议描述了如何准备NanospringCarver文件，一个LINUX 25电脑上运行的MATLAB 24，并 使用图形用户界面来制备原子论nanospring模型。这些以前无法获得的模型作为基础，新的分子动力学（MD）模拟23对材料的创新研究。
一般的一步一步的过程来创建原子nanospring模型涉及到使用下列内容：（一）NanospringCarver（V 0.5测试版）的代码（开放式酸行政长官在C ++语言），（二）大宗石英玻璃模型（输入文件），（三）MATLAB的GUI界面和相关文件，并使用Linux的PC上的本地牌照（D）MATLAB软件（第7版）。项（a） – （c）项（NanospringCarver代码，石英玻璃模型，MATLAB GUI文件）可以自由地在网上下载26。 MATLAB（矩阵实验室）是一种高级语言进行数值计算，可视化，和来自MathWorks公司24，它主要用于数据可视化和分析，图像处理和计算生物学的应用程序开发。
Protocol
Representative Results
Discussion
修改原来的方法来创建导致两种不同的代码开发，使双方建立纳米带和纳米弹簧从最初的散装石英玻璃MD模式nanohelical结构。使用不同的软件包19-20，其内的程序的测量能力证实其尺寸精度的二氧化硅纳米带和nanospring模型的验证是追求的。还通过从不同的侧面和角度，这导致了额外的几何验证覆盖在模型进行纳米弹簧和纳米带的比较。由于其可扩展性，与任何散装材料模型的大小和潜在用?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者要感谢蒂姆·阿里斯在加州大学默塞德，他在这个项目的援助。在UCM的NSF-币计划在这项工作中的早期部分支持（KAM）。一个NSF-brige是奖励支持的合着者（BND和KAM），提供资金用于这项工作，差旅费会议。
该研究小组希望首先感谢国家科学基金会通过brige是屡获这项工作提供资金。这种材料是基于由美国国家科学基金会资助下，第1032653支持工作。
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)
