Nanohelices évolutives pour les études de prévision et le renforcement de la visualisation 3D
Summary
La modélisation précise des structures nanohelical est important pour les études de simulation prédictive de déboucher sur des applications de la nanotechnologie. Actuellement, des logiciels et des codes sont limités dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Nous présentons deux procédures visant à créer des modèles de nanohelical atomiques pour les simulations, et une interface graphique pour améliorer la recherche grâce à la visualisation.
Abstract
matériaux printanières sont omniprésents dans la nature et de l'intérêt dans les nanotechnologies pour la récupération d'énergie, le stockage d'hydrogène, et les applications de détection biologiques. Pour les simulations prédictives, il est devenu de plus en plus important d'être capable de modéliser la structure de nanohelices précision. Pour étudier l'effet de la structure locale sur les propriétés de ces géométries complexes, il faut développer des modèles réalistes. À ce jour, les progiciels sont plutôt limitées dans la création de modèles hélicoïdaux atomiques. Ce travail se concentre sur la production de modèles atomiques de verre de silice (SiO 2) et nanorubans nanosprings pour la dynamique moléculaire (MD) simulations. En utilisant un modèle de MD "en vrac" verre de silice, deux procédures de calcul pour créer exactement la forme de nanorubans et nanosprings sont présentés. La première méthode utilise le langage de programmation et logiciels open-source AWK se tailler efficacement différentes formes de nanorubans de silice de l'imodèle en vrac préside d'abord, en utilisant les dimensions souhaitées et équations paramétriques pour définir une hélice. Avec cette méthode, nanorubans de silice atomiques précises peuvent être générées pour une gamme de valeurs et dimensions hauteur. La seconde méthode consiste à un code plus robuste qui permet une certaine souplesse dans la modélisation de structures nanohelical. Cette approche utilise un code C ++ écrit notamment pour mettre en œuvre des méthodes de présélection ainsi que les équations mathématiques pour une hélice, ce qui entraîne une plus grande précision et efficacité lors de la création de modèles nanospring. L'utilisation de ces codes, bien définis et nanorubans évolutives et adaptées pour nanosprings simulations atomiques peuvent être créés de manière efficace. Une valeur ajoutée dans les deux codes open-source est qu'ils peuvent être adaptés à reproduire des structures en hélice, indépendamment du matériau. En outre, une interface utilisateur graphique MATLAB (GUI) est utilisé pour améliorer l'apprentissage grâce à la visualisation et l'interaction d'un utilisateur général avec l'hélicoptère atomistiquestructures cal. Une application de ces méthodes est l'étude récente de nanohelices par MD simulations à des fins mécaniques de récupération d'énergie.
Introduction
Nanostructures hélicoïdaux sont généralement produites en laboratoire par vapeur chimique des techniques de dépôt 1-2, tandis que de nouvelles approches ont été rapportés dans la littérature 3. En particulier nanosprings et nanorubans ont été étudiés en raison de leurs propriétés distinctes et des applications prometteuses dans les capteurs, optiques et des dispositifs électromécaniques et fluidiques 4-7. méthodes de synthèse ont été signalés à produire de la silice (SiO 2) nanorubans, faisant de ces structures potentielles unités de blocs de construction pour les systèmes hiérarchiques. Synthèse roman de nanosprings de silice 3D a élargi leurs applications à chemiresistors lorsqu'il est revêtu d'ZnO 8 ou nanoparticules pour des applications de diagnostic 9-10.
Des études expérimentales sur les propriétés mécaniques de nanosprings de silice et nanorubans sont rares, principalement en raison des limites actuelles de manipulation et d'essai et equipment. Les enquêtes sur les nano-des nanostructures et nanosprings ont été rapportés en utilisant la théorie et simulations 11-14. Certaines simulations ont porté sur 13 nanomécaniques comportement de nanosprings amorphes, car ils peuvent explorer des régimes pas entièrement accessibles par l'expérimentation. Études atomiques de nanosprings métalliques ont été rapportés dans la littérature pour étudier la dépendance de la taille des propriétés élastiques 15, et plus récemment les nano-des nanostructures de silice hélicoïdal cristallines 14. Expérimentation des structures de nanospring a également été réalisée dans différents matériaux tels que les nanostructures de carbone hélicoïdaux et nanocoils de carbone 16-17. En dépit de la connaissance recueillie jusqu'à présent, une compréhension plus complète des caractéristiques mécaniques de ces nouveaux nanostructures est nécessaire pour les futurs efforts de fabrication nanodispositif.
Comme les études de silice g MDlass (silice non cristalline) nanohelices sont encore assez limitées, la modélisation atomistique de ces structures nécessite la création de codes personnalisés. Pas d'autres méthodes alternatives de création de modèles de MD hélicoïdaux de verre de silice ont été identifiés à ce jour sur la recherche récente de la littérature. Dans ce travail, une approche bottom-up à la modélisation atomistique de nanostructures hélicoïdales de verre de silice dont nanosprings et nanorubans est poursuivi pour les futures grandes simulations MD nanomécaniques. L'approche générale consiste en la création d'un "gros" modèle de verre de silice MD comme indiqué précédemment 18, et tailler différentes nanostructures hélicoïdales de cet échantillon "en vrac" via deux codes informatiques robustes et adaptables développés à cet effet. Les deux méthodes de calcul offrent une manière distincte pour créer des modèles de nanoruban et nanospring avec une grande efficacité et détail atomistique; ces structures sont adaptés à grande échelle simulations atomiques.En outre, une interface graphique d'utilisateur personnalisée est utilisée pour faciliter la création et la visualisation des structures hélicoïdales.
La structure du "vrac" modèle de verre de silice est d'abord créé à la température ambiante. Simulations de DM à grande échelle sont menées à cet effet à l'aide du Garofalini interatomique potentiel similaire à des études antérieures 18, ce qui est relativement efficace et appropriée de calcul pour les grands systèmes. La structure "en vrac" en verre de silice initial est composé d'un modèle cubique (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm) qui contient 192 000 atomes. Le modèle de verre de silice "en vrac" est équilibrée à 300 K pendant 0,5 ns pour obtenir l'état initial en utilisant des conditions limites périodiques.
Deux méthodes de calcul sont conçus et utilisés pour créer des modèles de nanoruban de silice et nanospring atomiques. La première méthode consiste à tailler nanorubans de silice à partir dela structure "en vrac" à l'aide des équations paramétriques qui définissent une hélice, et sa géométrie (hauteur, le rayon de l'hélice, et le rayon du fil). Cette procédure inclut l'utilisation de la langue de programmation AWK, le système d'exploitation LINUX, et open-source du logiciel de visualisation 19. La procédure itérative général de créer des modèles atomiques de nanorubans consiste à: (1) la sélection d'un atome dans le modèle de verre de silice "en vrac", (2) calcul de la distance à partir de l'atome sélectionné à un point dans l'espace sur une fonction hélicoïdal pré-défini, (3) la comparaison de cette distance au rayon de la nanoruban souhaitée, et (4) le rejet ou le maintien de l'atome en un modèle de données de sortie. Une description étape par étape détaillée de cette méthode est incluse dans les codes évolutive Open-Source supplément de matériel. Avec cette méthode, plusieurs nanorubans de silice ont été créés en utilisant hauteur différente, rayon de valeurs de l'hélice et du rayon de nanoruban, qui ont été évalués par la suitepour la précision contre les valeurs dimensionnelles désirées avec l'analyse moléculaire et logiciels de visualisation 19-20. Modèles atomiques de nanorubans de silice ont été générés avec des géométries fonctionnelles (valeurs élevées de terrain et de faibles valeurs de rayon de nanoruban). Certains artefacts, constitué d'atomes exclus par erreur, conduisant à une surface de nanoruban moins lisse, ont été observés à des valeurs de rayon de nanoruban excessivement élevées et des valeurs extrêmement faibles de hauteur. Des procédés similaires ont été utilisés dans le processus de création de nanofils de silice 21-23.
La deuxième méthode présentée ici consiste à tailler nanosprings de silice à partir de la structure de silice "en vrac" en mettant en œuvre des méthodes de présélection pour accroître l'efficacité en plus des équations mathématiques pour une hélice. Cette procédure doit créer un code C ++ plus robuste pour permettre une plus grande flexibilité dans la modélisation de ces nanostructures hélicoïdales. La méthode itérative pour créer Atomismodèles tic de nanosprings comprend: (1) jeter tous les atomes garantis à tomber en dehors de la trajectoire hélicoïdale, (2) la sélection déterministe un point sur la trajectoire hélicoïdale, (3) la comparaison de tous les atomes situés à une distance spécifique à ce point sélectionné, et (4 ) le rejet ou le stockage de chaque atome dans un modèle de données de sortie. Une description étape par étape de cette méthode est également inclus dans les Scalable codes Open-Source Matériel supplémentaire. Avec cette méthode, plusieurs modèles de nanospring de silice ont été obtenus avec des dimensions variées (de rayon de fil, rayon de l'hélice, et pas de nanospring) que présentés dans la figure 1. modèles nanospring de silice de haute précision ont été obtenus de manière efficace avec cette méthode, avec aucune preuve d'artefacts trouvés à valeurs extrêmes (hautes et basses) Emplacement pour le nanospring. La création et l'utilisation de l'interface utilisateur graphique de cette méthode est décrite dans la section de protocole.
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Figure 1:. Une structure hélicoïdale générale indiquant les dimensions caractéristiques, où R, R et p représentent le rayon du fil, le rayon de l'hélice, et la hauteur, respectivement, H désigne la hauteur totale de la structure hélicoïdale 23.
Ce protocole décrit comment préparer les fichiers NanospringCarver, la course MATLAB 24 sur un LINUX 25 PC, et utiliser une interface utilisateur graphique pour préparer des modèles de nanospring atomiques. Ces modèles précédemment indisponibles servent de base pour la dynamique moléculaires (MD) simulations 23 vers la recherche des matériaux de l'innovation.
La procédure générale étape par étape pour créer des modèles de nanospring atomistique consiste à utiliser les éléments suivants: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) code (open-aigreCE en langage C ++), (b) modèle de verre de silice en vrac (fichier d'entrée), (c) MATLAB interface graphique et les fichiers associés, et (d) le logiciel MATLAB (version 7) à l'aide d'une licence locale sur un PC LINUX. Articles (a) – (c) ci-dessus (code NanospringCarver, modèle de verre de silice, les fichiers MATLAB GUI) sont à télécharger en ligne le 26 libre. MATLAB (Matrix Laboratory) est un langage de haut niveau pour le calcul numérique, visualisation, et le développement d'applications de MathWorks 24, qui est principalement utilisé pour la visualisation des données et analyse, traitement d'image, et la biologie computationnelle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modification de l'approche originale de créer des structures nanohelical conduit à l'élaboration de deux codes distincts pour permettre la création de deux nanorubans et nanosprings partir d'un modèle initial de MD en verre de silice en vrac. La vérification des modèles de nanoruban de silice et nanospring a été poursuivi en utilisant différents logiciels 19-20, qui ont confirmé leur précision dimensionnelle dans la capacité de mesure des programmes. Comparaison entre nanosprings et n…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Tim Allis à l'UC Merced pour son aide dans ce projet. Le programme de la NSF-pièces à la prise en charge UCM (KAM) dans une première partie de ce travail. Un prix NSF-Brige soutenu co-auteurs (BND et KAM), en fournissant des fonds pour ce travail et les frais de déplacement à des conférences.
Le groupe de recherche tient à remercier en premier lieu la National Science Foundation pour financer ce travail par un prix de Brige. Ce matériel est basé sur des travaux appuyés par la National Science Foundation Grant n ° 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] |
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