Öngörülü Çalışmaları Ölçeklenebilir Nanohelices ve Geliştirilmiş 3D Görselleştirme
Summary
Nanohelical yapıların doğru modelleme yeni nanoteknoloji uygulamaları öncüsü akıllı simülasyon çalışmaları için çok önemlidir. Şu anda, yazılım paketleri ve kodları atomistiktir sarmal modeller yaratarak sınırlıdır. Biz simülasyonları için atomistiktir nanohelical modeller yaratmak için tasarlanmış iki süreçleri sunmak ve bir grafik arayüz görselleştirme sayesinde araştırmalarını geliştirmek için.
Abstract
Yay gibi malzemeler doğada ve enerji hasat, hidrojen depolama ve biyolojik algılama uygulamaları için nanoteknoloji ilgi her yerde vardır. Prediktif simülasyonları için, doğru bir nanohelices yapısını modellemek edebilmek için giderek daha önemli hale gelmiştir. Realist bir model geliştirmek gerekir bu karmaşık geometrilerin özelliklerine yerel yapının etkisini araştırmak. Bugüne kadar, yazılım paketleri yerine atomistiktir sarmal modeller yaratarak sınırlıdır. Bu çalışma, moleküler dinamik (MD) simülasyonlar için atomistiktir silis cam modelleri (SiO 2) nanoribbons ve nanosprings üreten odaklanmaktadır. "Toplu" silika camı, iki hesaplama prosedürlerinin bir MD modeli kullanılarak hassas nanoribbons ve nanosprings şeklini oluşturmak için sunulmaktadır. İlk yöntem etkili i silis nanoribbons çeşitli şekiller bölmek için AWK programlama dili ve açık kaynak yazılım kullanırBir helis tanımlayabilirsiniz istenen boyutları ve parametrik denklemlerini kullanarak nitial toplu modeli. Bu yöntemle, kesin atomlarla silika nanoribbons eğim değerlerinin ve boyutlara sahip bir dizi için oluşturulabilir. İkinci yöntem, modelleme nanohelical yapılarında esnekliğe izin verir, daha güçlü bir kodu içerir. Bu yaklaşım özellikle nanospring modellerini oluştururken daha hassas ve verimliliği ile sonuçlanan, ön-tarama yöntemleri yanı sıra bir sarmalın için matematiksel denklemler uygulamak için yazılmış bir C ++ kodu kullanır. Bu kodları kullanarak, iyi tanımlanmış ve atomlarla simülasyonları için uygun ölçeklenebilir nanoribbons ve nanosprings etkili oluşturulabilir. Hem açık kaynak kodları bir katma değer materyalden bağımsız farklı sarmal yapıları, yeniden adapte edilebilir olmasıdır. Buna ek olarak, MATLAB grafik kullanıcı arayüzü (GUI) atomlarla helikopter ile genel kullanıcı için görselleştirme ve etkileşim yoluyla öğrenme geliştirmek için kullanılırcal yapılar. Bu yöntemlerden biri de uygulama mekanik enerji hasat amaçlı MD simülasyonları ile nanohelices ve son çalışmadır.
Introduction
Yeni yaklaşımlar literatürde 3'te da bildirilmiştir sarmal nano tipik haliyle, kimyasal buhar çöktürme teknikleri 1-2 kullanılarak laboratuarda üretilmiştir. Özellikle nanosprings ve nanoribbons nedeniyle farklı özellikleri ve sensörler, optik ve elektromekanik ve akışkan sistemlerin 4-7 umut verici uygulamaları incelenmiştir. Sentez yöntemleri hiyerarşik sistemler için yapıları olası yapı bloğu birimleri yapmak için, silis (SİO2) nanoribbons üretmek için bildirilmiştir. Teşhis uygulamaları 9-10 için ZnO 8 veya nanopartiküller ile kaplandığında 3D silika nanosprings Roman sentezi chemiresistors için uygulamalarını genişletti.
Silika nanosprings ve nanoribbons mekanik özellikleri üzerinde deneysel çalışmalar öncelikle nedeniyle manipülasyon ve test yöntemleri ve equipme mevcut sınırlamalar, kıtnt. Nanoyapılarda ve nanosprings ve nanomekanik soruşturmalar teorisi ve simülasyonları 11-14 olarak bildirilmiştir. Onlar deneyler yoluyla tamamen erişilebilir rejimleri keşfetmek çünkü bazı simülasyonlar 13 amorf nanosprings arasında nanomekanik davranışı üzerinde odaklanmıştır. Metalik nanosprings Atomistik çalışmaları elastik özelliklerin 15 boyutu bağımlılığı araştırmak için literatürde rapor edilmiştir, ve daha yakın helezon kristalli silis nano nanomekanik 14. Nanospring yapıların deneysel testleri, aynı zamanda, helis karbon nanoyapılarda ve farklı malzemeleri gerçekleştirilmiştir Karbon nanocoils 16-17. Bilgi, şimdiye kadar elde olmasına rağmen, bu yeni nano mekanik özelliklerinin daha tam bir anlaşılması, gelecekteki nanodevice imalat çalışmaları için gereklidir.
MD çalışmaların silika g olarakkız (non-kristalin silis) nanohelices hala oldukça bu tür yapıların atomlarla modelleme özel kodlarının oluşturulmasını, sınırlıdır. Silis camı sarmal MD modelleri yaratma başka hiçbir alternatif yöntemler son literatür araştırması üzerine şimdiye kadar tespit edilmiştir. Bu çalışmada, nanosprings ve nanoribbons dahil sarmal silis cam Nanoyapısının atomlarla modelleme için aşağıdan yukarıya yaklaşımı, gelecekteki büyük ölçekli MD nanomekanik simülasyonları izlenmektedir. Daha önce 18 rapor ve bu amaçla geliştirilen iki güçlü ve uyarlanabilir bilgisayar kodları ile bu "toplu" örnek çeşitli sarmal nanoyapıları dışarı oyma gibi genel bir yaklaşım MD "dökme" silis camı modelinin oluşturulmasını içerir. Her iki hesaplama prosedürleri büyük verimlilik ve atomlarla ayrıntı ile nanoribbon ve nanospring modelleri oluşturmak için farklı bir yol sunar; Bu yapılar, büyük çaplı bir atomik analizi için uygun bulunmaktadır.Buna ek olarak, grafik kullanıcı arayüzü helis yapıların oluşturulması ve görselleştirme kolaylaştırmak için kullanılır.
"Dökme" silis camı modelin yapısı, başlangıçta oda sıcaklığında oluşturulur. Büyük ölçekli MD simülasyonları Garofalini kullanarak bu amaçla yapılmaktadır atomlararası hesaplama ve büyük sistemler için uygun nispeten verimlidir önce yapılan çalışmaların 18, benzer potansiyel. İlk "dökme" silis cam yapı 192.000 atomu içeren bir kübik modeli (3 14.3 x 14.3 x 14.3 nm) oluşur. "Dökme" silisli cam modeli periyodik sınır koşulları kullanılarak başlangıç durumunu elde etmek için 0,5 NSEC 300 K dengelenir.
İki hesaplama prosedürleri tasarlanmış ve atomist silika nanoribbon ve nanospring modelleri oluşturmak için kullanılmaktadır. İlk yöntem, silis nanoribbons dışarı oyma içerirBir helis tanımlayabilirsiniz parametrik denklemleri kullanarak "toplu" yapısı ve geometrisi (zift, sarmalın yarıçapı, ve tel yarıçapı). Bu prosedür AWK programlama dili, LINUX işletim sistemi ve açık kaynak görselleştirme yazılımları 19. kullanarak içerir. Nanoribbons Atomistik modellerini oluşturmak için, genel yinelemeli prosedürü şunları içerir: (1) (2), önceden belirlenmiş bir helezoni bir fonksiyonu uzayda bir noktaya seçilen atomundan mesafenin hesaplanması, "dökme" silis camı modelinde bir atom seçerek (3) istenen nanoribbon yarıçapına bu mesafe karşılaştırarak, ve (4) atmadan veya bir çıkış veri modelindeki atomunu tutmak. Bu yöntem için ayrıntılı adım adım açıklaması Ölçeklenebilir Açık Kaynak Kodları Ek Malzeme dahildir. Bu yöntem ile, bir kaç silika nanoribbons ardından ölçüldü farklı perde, helezon ve nanoribbon yarıçapı değerleri yarıçapı kullanılarak oluşturulanmoleküler analiz ve görselleştirme yazılımı 19-20 ile istenen boyutsal değerlere karşı hassasiyet için. Silika nanoribbons Atomistik modelleri fonksiyonel geometrilerin (zift yüksek değerleri ve nanoribbon yarıçapı düşük değerleri) ile elde edilmiştir. Bazı eserler, hata dahil atomlarından oluşan bir şekilde daha az pürüzsüz nanoribbon bir yüzeye yol açacak, son derece yüksek bir nanoribbon yarıçap değerleri ve son derece düşük bir adım değerlerinde gözlendi. Benzer yöntemler, silika nanotelleri 21-23 oluşturma sürecinde kullanılmaktadır.
Burada sunulan ikinci yöntem sarmalın için matematiksel denklemlere ek olarak etkinliğini artırmak için ön-tarama yöntemleri uygulayarak "toplu" silika yapısı silika nanosprings dışarı oyma içerir. Bu prosedür, bu sarmal nanoyapıları modelleme daha fazla esneklik sağlamak için daha sağlam bir C ++ kodu oluşturma zorunlu. Yineleme yöntemi atomis oluşturmak içinnanosprings atması modelleri içerir: (1) sarmal yolun dışında kalan garantili bütün atomları atarak, (2) deterministically sarmal yolun bir noktayı seçerek, (3) Bu seçilen noktaya belli bir mesafeden bütün atomları karşılaştırarak, ve (4 ) atmadan veya bir çıkış veri modelinde her atomun depolamak. Bu yöntem için bir adım-adım bir açıklaması da yazmak Malzeme. Bu yöntemle, birkaç silis nanospring modelleri değişik boyutları (tel yarıçapı, sarmalın yarıçapı ve nanospring pitch) olarak elde edilmiştir Ölçeklenebilir Açık Kaynak Kodları dahildir Şekil 1'de gösterilmiştir. Son derece hassas silis nanospring modelleri nanospring için (düşük ve yüksek) eğim değerlerinin aşırı buluntular hiçbir kanıt ile, bu yöntem ile verimli olarak elde edilmiştir. Oluşturma ve bu yöntem için grafiksel kullanıcı arabirimi kullanımı Protokol bölümünde tarif edilmektedir.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-sayfa = "always">
Şekil 1:. R, R ve p tel yarıçapı, sarmalın yarıçapı ve sahayı temsil karakteristik boyutlarını gösteren genel bir sarmal yapı, İH sarmal yapı 23 toplam yüksekliği göstermektedir.
Bu protokol bir LINUX 25 PC'de MATLAB 24 çalışan, NanospringCarver dosyaları hazırlamak ve atomlarla nanospring modeller hazırlamak için bir grafik kullanıcı arayüzü kullanmayı açıklamaktadır. Bunlar, daha önce mevcut olmayan modeller yeni moleküler dinamikler için temel (MD) malzemeler yenilik araştırma doğru 23 benzeştirme olarak hizmet vermektedir.
Atomistiktir nanospring modeller oluşturmak için genel adım adım prosedürü aşağıdaki unsurları kullanarak içerir: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) kodu (açık-ekşice C ++ dili), (b) Toplu silis cam modeli (giriş dosyası), (c) MATLAB GUI arayüzü ve ilgili dosyaları ve Linux PC üzerinde yerel lisansı kullanarak (d) MATLAB yazılımı (versiyon 7) içinde. Öğeler (a) – (c) '(NanospringCarver kodu, silis cam modeli, MATLAB GUI dosyaları) çevrimiçi 26 indirmek için ücretsiz. MATLAB (Matrix Laboratory) çoğunlukla veri analizi ve görselleştirme, görüntü işleme ve işlemsel biyoloji için kullanılan MathWorks'un 24, gelen sayısal hesaplama, görselleştirme ve uygulama geliştirme için yüksek seviyeli bir dildir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Orijinal yaklaşımın modifikasyonu ilk toplu silis camı MD modelinden hem nanoribbons ve nanosprings oluşturulmasını sağlamak için iki farklı kodları gelişmesine yol açtı nanohelical yapılar oluşturmak için. Silika nanoribbon ve nanospring modelleri doğrulama programların ölçüm kapasitesi dahilinde kendi boyutsal doğruluğunu teyit farklı yazılım paketleri 19-20 kullanılarak takip edildi. Nanosprings ve nanoribbons arasındaki karşılaştırma, aynı zamanda ek geometri doğrulama s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bu proje onun yardım için UC Merced Tim Allis teşekkür etmek istiyorum. UCM at NSF-PARALAR programı bu çalışmanın erken kısmında (KAM) destekledi. Bir NSF-Köprüsü ödül konferanslara bu iş ve seyahat giderleri için fonlar sağlayarak, ortak yazarları (BND ve KAM) destekledi.
Araştırma grubu Köprüsü ödül ile bu çalışmaları finanse için öncelikle Ulusal Bilim Vakfı beyan etmek istemektedir. Bu malzeme Hibe sayılı 1032653 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışma dayanmaktadır.
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)
