Nanohelices scalabili per predittivi Studi e migliorata visualizzazione 3D
Summary
Modellazione accurata di strutture nanohelical è importante per gli studi di simulazione predittiva che portano a nuove applicazioni delle nanotecnologie. Attualmente, i pacchetti software ei codici sono limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Vi presentiamo due procedure volte a creare modelli nanohelical atomistici per le simulazioni, e un'interfaccia grafica per rafforzare la ricerca attraverso la visualizzazione.
Abstract
Materiali primaverile sono onnipresenti in natura e di interesse nel campo delle nanotecnologie per la raccolta di energia, stoccaggio di idrogeno, e applicazioni di rilevamento biologico. Per simulazioni predittive, è diventato sempre più importante essere in grado di modellare la struttura del nanohelices precisione. Per studiare l'effetto della struttura locale sulle proprietà di queste geometrie complesse si deve sviluppare modelli realistici. Fino ad oggi, i pacchetti software sono piuttosto limitati nella creazione di modelli elicoidali atomistico. Questo lavoro si concentra sulla produzione di modelli atomistici di vetro di silice (SiO 2) nanoribbons e nanosprings di dinamica molecolare (MD) simulazioni. Utilizzando un modello MD di "bulk" di vetro di silice, due procedure di calcolo per creare con precisione la forma di nanoribbons e nanosprings sono presentati. Il primo metodo utilizza il linguaggio di programmazione e il software open-source AWK per scolpire in modo efficace varie forme di nanoribbons silice dal imodello di massa nitial, con dimensioni desiderate ed equazioni parametriche per definire un elica. Con questo metodo, accurati nanoribbons silice atomistiche possono essere generati per un intervallo di valori del passo e dimensioni. Il secondo metodo prevede un codice più robusto che consente flessibilità nelle strutture modellazione nanohelical. Questo approccio utilizza un codice C ++ particolare scritta per implementare metodi di pre-screening nonché le equazioni matematiche per un'elica, con conseguente maggiore precisione ed efficienza durante la creazione di modelli nanospring. Utilizzando questi codici, ben definiti e nanoribbons scalabili e nanosprings adatti per le simulazioni atomistiche possano essere effettivamente creati. Un valore aggiunto in entrambi i codici open-source è che possono essere adattate per riprodurre diverse strutture elicoidali, indipendentemente dal materiale. Inoltre, un'interfaccia utente grafica MATLAB (GUI) è utilizzato per migliorare l'apprendimento attraverso la visualizzazione e l'interazione di un utente generico con l'elicottero atomisticastrutture cal. Una applicazione di questi metodi è il recente studio di nanohelices via MD simulazioni per scopi di energy harvesting meccanici.
Introduction
Nanostrutture elicoidali sono tipicamente prodotti in laboratorio utilizzando vapori chimici tecniche di deposizione 1-2, mentre nuovi approcci sono stati riportati in letteratura 3. In particolare nanosprings e nanoribbons sono stati studiati per le loro proprietà distinte e promettenti applicazioni in sensori, ottica e dispositivi elettromeccanici e fluidici 4-7. Metodi di sintesi sono stati segnalati per la produzione di silice (SiO 2) nanoribbons, rendendo queste strutture potenziali unità blocco di costruzione per sistemi gerarchici. Sintesi Romanzo di nanosprings silice 3D ha ampliato le proprie applicazioni per chemiresistors rivestiti con ZnO 8 o nanoparticelle per applicazioni diagnostiche 9-10.
Studi sperimentali sulle proprietà meccaniche dei nanosprings di silice e nanoribbons sono scarsi, soprattutto a causa limitazioni attuali manipolazione e metodi di prova e equipment. Indagini sulle nanomeccanica di nanostrutture e nanosprings sono stati riportati con la teoria e simulazioni 11-14. Alcune simulazioni 13 si sono concentrati sul comportamento nanomeccanico di nanosprings amorfi perché possono esplorare regimi non completamente accessibili attraverso la sperimentazione. Studi atomistica nanosprings metallici sono stati riportati in letteratura per studiare la dipendenza dimensioni di proprietà elastiche 15, e più recentemente le nanomeccanica di cristallini elicoidale nanostrutture di silicio 14. Sperimentazione di strutture nanospring è stata effettuata anche in materiali diversi come ad esempio nanostrutture di carbonio elicoidali e nanocoils carbonio 16-17. Nonostante le conoscenze raccolte finora, è necessaria una comprensione più completa delle proprietà meccaniche di questi nuovi nanostrutture per i futuri sforzi nanodispositivo fabbricazione.
Come studi MD di silice glass (silice non cristallina) nanohelices sono ancora piuttosto limitate, la modellizzazione atomistica di tali strutture richiede la creazione di codici personalizzati. Sono stati identificati fino ad ora su di recente ricerca in letteratura anche altri metodi alternativi di creazione in vetro di silice modelli MD elicoidali. In questo lavoro, un approccio bottom-up alla modellizzazione atomistica di nanostrutture elicoidali in vetro di silice compreso nanosprings e nanoribbons è perseguito per i grandi simulazioni future MD nanomeccaniche. L'approccio generale prevede la creazione di una "massa" modello di vetro di silice MD come riportato in precedenza 18, e ritagliandosi varie nanostrutture elicoidali da questo campione "bulk" tramite due codici di calcolo robusti e adattabili sviluppati per questo scopo. Entrambe le procedure di calcolo offrono un modo distinto per creare nanoribbon e nanospring modelli con grande efficienza e dettaglio atomistico; queste strutture sono adatte per le simulazioni atomistiche larga scala.Inoltre, un'interfaccia utente grafica personalizzata viene utilizzata per facilitare la creazione e la visualizzazione delle strutture elicoidali.
La struttura del "bulk" modello di vetro di silice si crea inizialmente a temperatura ambiente. Simulazioni MD su larga scala sono condotti a tal fine con il Garofalini interatomico potenziale simile a studi precedenti 18, il che è relativamente efficiente computazionalmente e appropriato per grandi sistemi. La struttura "bulk" di vetro di silice iniziale è costituito da un modello cubico (14,3 x 14,3 x 14,3 3 nm) che contiene 192.000 atomi. Il "grosso" modello di vetro di silice viene equilibrato a 300 K per 0,5 nsec per ottenere lo stato iniziale con condizioni al contorno periodiche.
Due procedure di calcolo sono progettati e utilizzati per creare modelli nanoribbon silice e nanospring atomistiche. Il primo metodo consiste ritagliarsi nanoribbons silice dala struttura "bulk" utilizzando le equazioni parametriche che definiscono un'elica, e la sua geometria (passo, raggio dell'elica, e raggio fili). Questa procedura include l'utilizzo del linguaggio di programmazione AWK, il sistema operativo Linux e open-source software di visualizzazione 19. La procedura generale iterativa per creare modelli atomistici di nanoribbons comprende: (1) selezionando un atomo nel "bulk" modello di vetro di silice, (2) calcolare la distanza dall'atomo selezionato in un punto nello spazio su una funzione elicoidale predefinita, (3) confrontando questa distanza al raggio del nanoribbon desiderato, e (4) di eliminare o mantenere l'atomo in un modello di dati di output. Una descrizione dettagliata passo-passo per questo metodo è incluso nei codici scalabile Open Source supplementare materiali. Con questo metodo, più nanoribbons silice sono stati creati utilizzando passo diverso, raggio di valori elica e raggio nanoribbon, che sono valutate in seguitoper la precisione contro i valori dimensionali desiderati con l'analisi molecolare e software di visualizzazione 19-20. Modelli atomistica nanoribbons silice sono stati generati con geometrie funzionali (valori elevati di campo e bassi valori di raggio nanoribbon). Alcuni manufatti, costituito da atomi esclusi per errore, portando ad una superficie nanoribbon meno liscia, sono stati osservati a valori estremamente elevati raggio nanoribbon e valori estremamente bassi passo. Metodi simili sono stati utilizzati nel processo di creazione di nanofili silice 21-23.
Il secondo metodo qui presentato include stralcio nanosprings silice dalla struttura di silice "bulk" applicando metodi di screening preliminare per aumentare l'efficienza in aggiunta alle equazioni matematiche per un'elica. Questa procedura richiede la creazione di un codice C ++ più robusto per consentire una maggiore flessibilità nella modellazione di queste nanostrutture elicoidali. Il metodo iterativo di creare atomismodelli tic di nanosprings comprende: (1) eliminando tutti gli atomi garantiti esulare dalla traiettoria elicoidale, (2) selezionare deterministico un punto della traiettoria elicoidale, (3) confrontare tutti gli atomi all'interno di una distanza specifica a questo punto selezionato, e (4 ) di eliminare o la memorizzazione di ogni atomo in un modello di dati di output. Una descrizione step-by-step per questo metodo è anche incluso nei codici open-source scalabile Materiale supplementare. Con questo metodo, diversi modelli nanospring di silice sono stati ottenuti con varie dimensioni (raggio di fili, raggio di elica, e passo di nanospring) come illustrati nella Figura 1. nanospring modelli di silice ad alta precisione sono stati ottenuti in modo efficiente con questo metodo, senza evidenza di reperti trovati in estrema valori (alto e basso) passo per la nanospring. La creazione e l'utilizzo dell'interfaccia utente grafica per questo metodo è descritto nella sezione Protocollo.
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Figura 1:. Una struttura elicoidale generale mostrando dimensioni caratteristiche, dove r, R e p rappresentano rispettivamente il raggio del filo, il raggio dell'elica, e pitch H indica l'altezza totale della struttura elicoidale 23.
Questo protocollo descrive come preparare i file NanospringCarver, in esecuzione MATLAB 24 su LINUX 25 PC, e utilizzare una interfaccia utente grafica per preparare modelli nanospring atomistico. Questi modelli non disponibili in precedenza servono da base per le dinamiche molecolari (MD) simulazioni 23 verso la ricerca l'innovazione dei materiali.
La procedura generale step-by-step per creare modelli nanospring atomistico comporta l'uso dei seguenti elementi: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) codice (open-acidoce in linguaggio C ++), (b) modello di vetro di silice di massa (file di input), (c) MATLAB interfaccia GUI e file correlati, e (d) del software MATLAB (versione 7) con una licenza locale su un PC Linux. Articoli da (a) – (c) di cui sopra (codice NanospringCarver, modello di vetro di silice, i file MATLAB GUI) sono scaricabili on-line 26 gratis. MATLAB (Matrix Laboratory) è un linguaggio di alto livello per il calcolo numerico, la visualizzazione e lo sviluppo di applicazioni da MathWorks 24, che è in gran parte utilizzato per la visualizzazione dei dati e l'analisi, l'elaborazione delle immagini, e la biologia computazionale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modifica del metodo originale per creare strutture nanohelical portato allo sviluppo di due codici distinti per consentire la creazione di entrambi nanoribbons e nanosprings da una massa di silice modello iniziale vetro MD. La verifica dei modelli nanoribbon silice e nanospring è stato perseguito utilizzando diversi pacchetti software 19-20, che hanno confermato la loro precisione dimensionale all'interno della capacità di misura dei programmi. Confronto tra nanosprings e nanoribbons è stata effettuata…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vogliono ringraziare Tim Allis alla UC Merced per la sua assistenza in questo progetto. Il programma NSF-MONETE a UCM supportato (KAM) in una prima parte di questo lavoro. Un premio NSF-Brige supportato co-autori (BND e KAM), fornendo i fondi per questo lavoro e le spese di viaggio per le conferenze.
Il gruppo di ricerca desidera ringraziare in primo luogo la National Science Foundation per il finanziamento di questo lavoro attraverso un premio Brige. Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla National Science Foundation sotto 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] |
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)
