Schaalbare Nanohelices voor Predictive Studies en Enhanced 3D Visualisatie

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.

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.