Nanoespirais escaláveis ​​para estudos de previsão e melhor visualização 3D

Nanoestruturas helicoidais são tipicamente produzidos em laboratório, utilizando técnicas de deposição química de vapor de ^1-2, enquanto que as novas abordagens têm sido relatados na literatura ^3. Em particular nanomolas e nanofitas têm sido estudados devido às suas propriedades distintas e aplicações promissoras em sensores, óptica, e eletromecânicos e dispositivos fluídicos ^4-7. Métodos de síntese têm sido relatados para a produção de sílica _(SiO2) nanoribbons, tornando essas estruturas potenciais unidades de bloco de construção para sistemas hierárquicos. Síntese Novel de nanomolas sílica 3D ampliou suas aplicações para chemiresistors quando revestido com ZnO ⁸ ou nanopartículas para aplicações de diagnóstico ^10/09.

Estudos experimentais sobre as propriedades mecânicas de nanomolas sílica e nanofitas são escassos, principalmente devido às limitações atuais de manipulação e métodos de ensaio e equipamnt. As investigações sobre os nanomecânica de nanoestruturas e nanomolas foram relatados usando a teoria e simulações ^11-14. Algumas simulações ¹³ têm-se centrado no comportamento nanomechanical de nanomolas amorfos, pois eles podem explorar regimes não totalmente acessíveis através da experimentação. Estudos atomística da nanomolas metálicos têm sido relatados na literatura para investigar a dependência tamanho das propriedades elásticas ^15, e mais recentemente os nanomecânica de nanoestruturas de sílica cristalina helicoidal ^14. Teste experimental de estruturas nanospring também foi realizada em diferentes materiais tais como nanoestruturas de carbono e helicoidais nanocoils carbono ^16-17. Apesar do conhecimento até agora reunido, é necessária uma compreensão mais completa das propriedades mecânicas destes novos nanoestruturas para futuros esforços de fabricação nanodevice.

Como os estudos de MD g de sílicalass (sílica não-cristalina) nanoespirais ainda são bastante limitadas, a modelagem atomística de tais estruturas requer a criação de códigos personalizados. Não há outros métodos alternativos de criação de vidro de sílica modelos MD helicoidais foram identificados até agora sobre a pesquisa na literatura recente. Neste trabalho, uma abordagem bottom-up para a modelagem atomística de nanoestruturas de vidro de sílica helicoidais incluindo nanomolas e nanofitas é perseguido para futuras simulações MD nanomecânicos grande escala. A abordagem geral envolve a criação de uma "massa" modelo de vidro de sílica MD conforme relatado anteriormente ^{18 anos,} e conquistando várias nanoestruturas helicoidais a partir desta amostra "massa" através de dois códigos computacionais robustas e adaptáveis ​​desenvolvidos para este fim. Ambos os procedimentos computacionais oferecem uma maneira diferente para criar nanofita e nanospring modelos com grande eficiência e detalhes atomística; estas estruturas são adequadas para atomísticos simulações em grande escala.Além disso, uma interface gráfica de utilizador personalizado é usado para facilitar a criação e visualização das estruturas helicoidais.

A estrutura do modelo de vidro de sílica "a granel" é criado inicialmente à temperatura ambiente. Simulações de DM em larga escala são realizadas para este efeito usando o Garofalini interatómico potencial semelhante aos estudos anteriores ^18, que é relativamente eficiente computacionalmente e adequado para grandes sistemas. A estrutura de "massa" de vidro de sílica inicial consiste em um modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 ³ nm), que contém 192 mil átomos. O modelo de vidro de sílica "a granel" é equilibrada a 300 K durante 0,5 nseg obter o estado inicial usando condições de contorno periódicas.

Dois procedimentos computacionais são projetados e utilizados para criar modelos nanofita sílica e nanospring atomistas. O primeiro método envolve esculpir nanofitas de sílica a partir dea estrutura "a granel", usando as equações paramétricas que definem uma hélice, e sua geometria (pitch, raio da hélice, eo raio do fio). Esse procedimento inclui o uso da linguagem de programação AWK, o sistema operacional Linux e open-source software de visualização ^19. O procedimento iterativo geral para criar modelos de atomísticos nanoribbons envolve: (1) selecção de um átomo no modelo de vidro de sílica "a granel", (2) calcular a distância a partir do átomo seleccionado a um ponto no espaço sobre uma função helicoidal pré-definido, (3) comparar esta distância para o raio do nanofita desejado, e (4) de se desfazer ou mantendo o átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição detalhada passo-a-passo para este método está incluído nos códigos Scalable Open-Source Suplementar Materiais. Com este método, vários nanofitas de sílica foram criados usando tom diferente, o raio de valores hélice e raio nanoribbon, que foram medidos posteriormentede precisão contra os valores dimensionais desejadas com análise molecular e software de visualização ^19-20. Modelos atomistas de nanofitas de sílica foram gerados com geometrias funcionais (altos valores de arremesso e baixos valores de raio nanoribbon). Alguns artefactos, que consiste de átomos de excluídos por engano, o que leva a uma superfície nanofita menos suave, foram observados em excessivamente elevados valores de raio nanofita e valores extremamente baixos de passo. Métodos similares têm sido usadas no processo de criação de nanofios de sílica ^21-23.

O segundo método aqui apresentado inclui esculpir nanomolas de sílica a partir da estrutura de sílica "a granel" pela aplicação de métodos de pré-rastreio para aumentar a eficiência em adição às equações matemáticas para uma hélice. Este procedimento necessário a criação de um código C ++ mais robusta para permitir uma maior flexibilidade na modelagem dessas nanoestruturas helicoidais. O método iterativo para criar atomismodelos de tic nanomolas inclui: (1) descartando todos os átomos garantidos para cair fora da trajetória helicoidal, (2) de forma determinística selecionar um ponto na trajetória helicoidal (3), comparando todos os átomos dentro de uma determinada distância a este ponto selecionado, e (4 ) descartar ou armazenar cada átomo em um modelo de dados de saída. Uma descrição passo-a-passo para este método também está incluído nas escaláveis ​​códigos Open-Source Suplementar material. Com este método, diversos modelos de sílica nanospring foram obtidos com dimensões variadas (raio fio, raio de hélice, e passo de nanospring) como mostrado na Figura 1. nanospring modelos de sílica altamente precisa foram obtidos de forma eficiente com este método, com nenhuma evidência de artefactos encontrados no extremo valores de pitch (alto e baixo) para o nanospring. A criação e utilização da interface gráfica de utilizador para este método é descrito na secção de Protocolo.

Este protocolo descreve como preparar os arquivos NanospringCarver, correndo MATLAB ²⁴ em um PC com Linux ^25, e usar uma interface gráfica de usuário para preparar modelos nanospring atomistas. Estes modelos anteriormente indisponíveis servir de base para a dinâmica moleculares (MD) simulações de ²³ para a pesquisa de materiais inovação.

O procedimento geral passo-a-passo para criar modelos nanospring atomísticos envolve o uso dos seguintes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (open-azedoce em linguagem C ++), (b) modelo de vidro de sílica a granel (arquivo de entrada), (c) MATLAB interface gráfica e os arquivos relacionados, e (d) o software MATLAB (versão 7) usando uma licença local em um PC com Linux. Os itens (a) – (c) acima (código NanospringCarver, modelo de vidro de sílica, arquivos MATLAB GUI) são livres para download on-line ^26. MATLAB (Matrix Laboratory) é uma linguagem de alto nível para computação numérica, visualização e desenvolvimento de aplicações de MathWorks ^24, que é usado principalmente para a visualização e análise de dados, processamento de imagem, e biologia computacional.