예측 연구 확장 Nanohelices 향상된 3D 시각화
Summary
nanohelical 구조의 정확한 모델링은 새로운 나노 기술의 응용으로 이어지는 예측 시뮬레이션 연구에 중요하다. 현재 소프트웨어 패키지와 코드는 원자의 나선형 모델을 만드는 데 제한됩니다. 우리는 시뮬레이션 원자의 nanohelical 모델을 만들 수 있도록 설계 두 가지 절차를 제시하고, 그래픽 인터페이스는 시각화를 통해 연구를 강화하기 위해.
Abstract
봄 같은 재료는 자연과 에너지 수확, 수소 저장, 생물 감지 애플리케이션을위한 나노 기술에 대한 관심이 유비쿼터스입니다. 예측 시뮬레이션을 위해, 정확하게 nanohelices의 구조를 모델링 할 수 있도록 점점 더 중요 해지고있다. 하나는 현실적인 모델을 개발해야 이러한 복잡한 형상의 속성에 지역 구조의 효과를 연구합니다. 지금까지 소프트웨어 패키지는 오히려 원자의 나선형 모델을 만드는 데 제한됩니다. 이 작품은 분자 역학 (MD) 시뮬레이션 원자의 실리카 유리의 모델 (그런가 2) 나노 리본 및 나노 스프링을 생산에 초점을 맞추고있다. "벌크"석영 유리, 두 계산 절차 MD 모델을 사용하여 정확하게 나노 리본 및 나노 스프링의 형상을 만드는 것이 제시된다. 첫 번째 방법은 효과적으로 전에서 실리카 나노 리본의 다양한 모양을 개척 할 수있는 AWK 프로그래밍 언어와 오픈 소스 소프트웨어를 사용헬릭스를 정의하는 치수 및 원하는 매개 방정식을 사용 nitial 벌크 모델. 이 방법으로, 정확한 원자의 실리카 나노 리본은 피치 값과 치수의 범위에 대해 생성 될 수있다. 두 번째 방법은 모델링 nanohelical 구조에 유연성을 더 강력한 코드를 포함한다. 이 접근법은 특히 나노 스프링 모델을 생성 할 때보다 정밀도와 효율이 사전 스크리닝 방법뿐만 아니라 나선 대한 수학 방정식을 구축하기 위해 작성한 C ++ 코드를 이용한다. 이러한 코드를 사용하여, 잘 정의 및 원자 적 시뮬레이션에 적합한 확장 나노 리본 및 나노 스프링이 효과적으로 생성 될 수있다. 모두 오픈 소스 코드에서의 부가 가치들은 재료의 독립적 인 다른 나선 구조를 재생하도록 구성 될 수 있다는 것이다. 또한, MATLAB 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 원자 적 헬리와 일반 사용자의 시각화 및 상호 작용을 통해 학습을 향상 시키는데 사용되는CAL 구조. 다음 방법 중 하나를 응용 프로그램이 기계적 에너지 수확을 위해 MD 시뮬레이션을 통해 nanohelices의 최근 연구이다.
Introduction
새로운 접근법은 문헌 3에보고되었지만 헬리컬 나노 구조물은 일반적으로 화학 기상 증착 기술 1-2하여 실험실에서 제조된다. 특히 나노 스프링 및 나노 리본 때문에 자신의 고유 한 특성과 센서, 광학, 기계 및 전기 및 유체 장치 4-7에서 유망한 응용 프로그램으로 연구되어왔다. 합성 방법은 계층 적 시스템에 대한 이러한 구조 잠재적 인 빌딩 블록 단위 만들기, 실리카 (SiO2로) 나노 리본을 생성하는 것으로보고되었다. 진단 응용 프로그램에 9-10에 대한 ZnO의 8 또는 나노 입자로 코팅 할 때 3D 실리카 나노 스프링의 소설 합성 화학 저항기에 응용 프로그램을 확장했다.
실리카 나노 스프링 및 나노 리본의 기계적 특성에 대한 실험적 연구는 주로 조작 및 시험 방법 및 산업 장비에서의 전류 제한으로 부족NT. 나노 구조 및 나노 스프링의 나노 기계에 대한 조사는 이론과 시뮬레이션 11-14을 사용하여보고 된 바있다. 그들이 실험을 통해 완전히 빠지지 정권을 탐험 할 수 있기 때문에 일부 시뮬레이션 (13)는 비정질 나노 스프링의 나노 기계 행동에 초점을 맞추고있다. 금속 나노 스프링의 원자의 연구는 탄성 특성 (15)의 크기의 의존성을 조사하기 위해 문헌에보고되었으며, 최근 헬리컬 결정질 실리카 나노 구조의 나노 기계 (14). 나노 스프링 구조체의 실험 테스트는 또한 나선형 카본 나노 구조물과 같은 다른 재료로 수행 된 카본 나노 코일 16-17. 지식에도 불구하고 지금까지 모여, 이들 신규 한 나노 구조물의 기계적 특성의보다 완전한 이해는 향후 나노 소자 제조에 노력이 필요하다.
MD 연구 실리카 (G)의로아가씨 (비 결정 성 실리카) nanohelices은 아직 매우 이러한 구조의 원자의 모델링은 사용자 정의 코드의 작성을 필요로 제한됩니다. 석영 유리 헬리컬 MD 모델을 생성하는 다른 대안적인 방법이 최근의 문헌 조사에 지금까지 발견되지 않았다. 본 연구에서는 나노 스프링 및 나노 리본을 포함하여 나선형 실리카 유리 나노 구조의 원자의 모델링에 대한 상향식 (bottom-up) 접근 방식은 향후 대규모 MD의 나노 기계 시뮬레이션을 위해 추진된다. 이전 18를보고하고, 이러한 목적을 위해 개발이 강력하고 융통성 컴퓨터 코드 통해이 "벌크"샘플로부터 다양한 헬리컬 나노 구조물을 조각으로 일반적인 접근법은 MD "벌크"석영 유리 모델의 생성을 포함한다. 모두 계산 절차는 큰 효율성과 원자의 세부 나노 리본 및 나노 스프링 모델을 만들 수있는 독특한 방법을 제공합니다; 이러한 구조는 대규모 원자의 시뮬레이션에 적합하다.또한, 사용자 정의 된 그래픽 사용자 인터페이스는 나선형 구조의 생성 및 시각화를 용이하게하기 위해 사용된다.
"벌크"석영 유리 모델의 구조는 처음에 실온에서 생성된다. 대규모 MD 시뮬레이션은 Garofalini을 사용하여 이러한 목적을 위해 수행된다 자간 계산적 및 대규모 시스템에 적합한 비교적 효율적 선행 연구 18, 유사한 전위. 초기 "대량"실리카 유리 구조는 192,000 원자를 포함하는 입방체 모델 (3 14.3 X 14.3 X 14.3 ㎚)로 구성되어 있습니다. "벌크"석영 유리 모델은주기적인 경계 조건을 이용하여 초기 상태를 얻기 위해 0.5 나노초 300 K에서 평형화된다.
두 계산 절차는 설계와 원자의 실리카 나노 리본 및 나노 스프링 모델을 만들 사용된다. 첫 번째 방법은 실리카 나노 리본을 조각 포함나선을 정의 파라 메트릭 방정식을 사용하여 "대량"구조, 그 구조 (피치, 나선의 반경, 와이어 반경). 이 절차 AWK 프로그래밍 언어, LINUX 운영 체제 및 오픈 소스 시각화 소프트웨어 (19)을 사용하는 단계를 포함한다. 나노 리본의 원자 적 모델을 생성하기위한 일반적인 반복 절차를 포함한다 : (1) (2) 미리 정의 된 나선 함수 공간에 포인트로 선택한 원자로부터의 거리를 계산, "벌크"석영 유리 모델 원자를 선택 (3) 원하는 나노 리본의 반경이 거리를 비교하고, (4)를 버리거나 출력 데이터 모델 원자 유지. 이 방법에 대한 자세한 단계별 설명은 확장 가능한 오픈 소스 코드 보충 자료에 포함되어 있습니다. 이 방법으로 여러 실리카 나노 리본이어서 측정 하였다 상이한 피치, 나선 및 나노 리본 반경 값의 반경을 사용하여 만든분자 분석 및 시각화 소프트웨어를 19 ~ 20으로 원하는 치수 값에 대한 정확성에 대해. 실리카 나노 리본의 원자의 모델은 기능적인 형상 (피치의 높은 가치와 나노 리본 반경의 낮은 값)을 생성했다. 일부 유물, 오류에서 제외 원자로 구성된 덜 부드러운 나노 리본 표면에 선도가 대단히 높은 나노 리본 반경 값과 매우 낮은 피치 값에서 관찰되었다. 비슷한 방법이 실리카 나노 와이어 21-23을 만드는 과정에서 사용되어왔다.
여기에 제시된 두 번째 방법은 나선 위해 수학 공식에 더하여 효율을 높이는 사전 스크리닝 방법을 구현하여 "벌크"실리카 구조의 실리카 나노 스프링을 포함하는 조각. 이 절차는이 나선형 나노 구조를 모델링에 더 큰 유연성을 허용하는보다 강력한 C ++ 코드를 생성이 필요합니다. 반복적 인 방법은 atomis을 만들 수 있습니다나노 스프링의 TIC 모델 포함한다 : (1) 나선형 경로를 벗어나는 것을 보장하는 모든 원자를 폐기, (2) 결정 성 나선 경로로 포인트를 선택하는, (3)이 선택되는 점에 특정 거리 이내의 모든 원자를 비교하고, (4 ) 버리거나 출력 데이터 모델의 각 원자를 저장하는 단계를 포함한다. 이 방법을 단계별로 설명은 또한 기업 자재.이 방법으로 여러 실리카 나노 스프링 모델이 다양한 치수 (와이어 반지름, 나선의 반경, 및 나노 스프링의 피치)로서 얻었다 확장 가능한 오픈 소스 코드에 포함 그림 1. 고정밀 실리카 나노 스프링 모델은 나노 스프링에 대한 (낮은 높은) 피치 값 극단에서 발견 유물의 증거로,이 방법으로 효율적으로 얻을 수 있었다. 제작 및이 방법을위한 그래픽 사용자 인터페이스의 사용은 프로토콜 절에 설명되어있다.
<p class="jove_content" fo:keep-together.with인 페이지 = "항상">
그림 1. R, R 및 P는 각각 와이어 반지름, 나선의 반경 및 피치를 나타내는 특성 치수를 보여주는 일반적인 나선 구조는 H가 나선 구조 (23)의 전체 높이를 나타낸다.
이 프로토콜은 LINUX PC (25)에 MATLAB (24)를 실행 NanospringCarver 파일을 준비하고, 원자의 나노 스프링 모델을 준비하기 위해 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하는 방법을 설명합니다. 이 이전에 사용할 수없는 모델은 새로운 분자 역학의 기초 (MD) 재료 혁신 연구 방향 (23)에 대한 모의 역할을한다.
원자의 나노 스프링 모델을 만들 수있는 일반적인 단계별 절차는 다음과 같은 요소를 사용하는 것 (A) NanospringCarver. (V 0.5 베타) 코드 (오픈 신CE C ++ 언어), (b) 벌크 석영 유리 모델 (입력 파일), (c) MATLAB의 GUI 인터페이스와 관련된 파일, LINUX PC에 로컬 라이센스를 사용하는 (d)에 MATLAB 소프트웨어 (버전 7)이다. 항목 (a) – 상기 (c) (NanospringCarver 코드, 석영 유리 모델, MATLAB GUI 파일) 온라인 26 다운로드 자유 롭다. MATLAB (매트릭스 연구소)은 주로 데이터 시각화 및 분석, 이미지 처리, 생물학 및 계산에 사용되는 매스 웍스 (24)로부터의 수치 계산, 시각화 및 애플리케이션 개발을위한 고급 언어이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
원래의 접근 방식의 수정은 초기 대량 실리카 유리 MD 모델에서 모두 나노 리본 및 나노 스프링의 작성을 허용하는 두 가지 코드의 개발을 주도 nanohelical 구조를 만들 수 있습니다. 실리카 나노 리본 및 나노 스프링 모델 검증 프로그램의 측정 능력 내에서 치수 정밀도를 확인 다른 소프트웨어 패키지 19-20을 사용하여 추진 하였다. 나노 스프링 및 나노 리본의 비교도 추가 형상 검증 결과 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는이 프로젝트에 그의 도움을 UC 머 시드에서 팀 알리스 감사드립니다. UCM에서 NSF-동전 프로그램은이 작업의 초기 부분에 (KAM)을 지원. NSF-Brige의 수상 회의에이 작품과 여행 경비에 대한 자금을 제공, 공동 저자 (BND와 KAM)을 지원.
연구 그룹은 Brige의 수상을 통해이 일을 자금을 주로 국립 과학 재단 (National Science Foundation)을 인정하기를 기원합니다. 이 자료는 그랜트 번호 1,032,653 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원 작업에 기초한다.
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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