Name: scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3d visualization
Uploaded: 2014-11-12T15:00:00
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Los autores quieren dar las gracias a Tim Allis en UC Merced por su ayuda en este proyecto. El programa de la NSF-monedas en la UCM soportado (KAM) en una primera parte de este trabajo. Un premio NSF-BRIGE apoyó coautores (BND y KAM), la provisión de fondos para este trabajo y los gastos de viaje a las conferencias. El grupo de investigación desea agradecer principalmente la Fundación Nacional de la Ciencia para la financiación de este trabajo a través de un premio BRIGE. Este material está basado en trabajo apoyado por la National Science Foundation con la subvención No. 1.032.653.

1. Preparación NanospringCarver archivos e inicio de MATLAB en un PC LINUX Los siguientes pasos están diseñados para un usuario general para hacer uso de los archivos proporcionados en línea 26. <ol><li> Descomprimir el archivo archivo nanosprings.tar.gz en el &quot;Inicio&quot; o otro directorio preferido. <ol><li> Descargue el archivo de ficheros del repositorio nanosprings.tar.gz 26 web. </li><li> Busque el archivo descargado y...

<ol>
	<li>Gao, P. X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conversion+of+zinc+oxide+nanobelts+into+superlattice-structured+nanohelices.">Conversion of zinc oxide nanobelts into superlattice-structured nanohelices.</a> Science. 309 (5741), 1700-1704 (2005).</li><li>McIlroy, D. N., Zhang, D., Kranov, Y., Norton, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanosprings.">Nanosprings.</a> Appl. Phys. Lett. 79 (10), 1540-1542 (2001).</li><li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multilayered+Si/Ni+nanosprings+and+their+magnetic+properties.">Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties.</a> Small. 3 (1), 153-160 (2007).</li><li>Cammarata, R. C., Sieradzki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+and+interface+stresses.">Surface and interface stresses.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 24 (1), 215-234 (1994).</li><li>Becker, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+nanosprings+in+spider+capture-silk+threads.">Molecular nanosprings in spider capture-silk threads.</a> Nat. Mater. 2 (4), 278-283 (2003).</li><li>Singh, J. P., Liu, D. -. L., Ye, D. -. X., Picu, R. C., Lu, T. -. M., Wang, G. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-coated+Si+springs:+nanoelectromechanical+actuators.">Metal-coated Si springs: nanoelectromechanical actuators.</a> Appl. Phys. Lett. 84 (18), 3657-3659 (2004).</li><li>Kim, K. J., Park, K., Lee, J., Zhang, Z. M., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanotopographical+imaging+using+a+heated+atomic+force+microscope+cantilever+probe.">Nanotopographical imaging using a heated atomic force microscope cantilever probe.</a> Sens. Actuators A-Phys. 136 (1), 95-103 (2007).</li><li>Dobrokhotov, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ZnO+coated+nanospring-based+chemiresistors.">ZnO coated nanospring-based chemiresistors.</a> J. Appl. Phys. 111 (4), 044311-044318 (2012).</li><li>Sai, V. V. 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Nick Gnedin&#8217;s Ionization FRont Interactive Tool (IFrIT) v. 3.2.8 - A general purpose visualization software [Internet] Available from: <a target="_blank" href="https://sites.google.com/site/ifrithome/">https://sites.google.com/site/ifrithome/</a> (2013)</li><li>Silva, E. C. C. M., Tong, L., Yip, S., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+effects+on+the+stiffness+of+silica+nanowires.">Size effects on the stiffness of silica nanowires.</a> Small. 2 (2), 239-243 (2006).</li><li>D&#225;vila, L. P., Leppert, V. J., Bringa, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+behavior+and+nanostructure+of+silica+nanowires+via+simulations.">The mechanical behavior and nanostructure of silica nanowires via simulations.</a> Scripta Mater. 60 (10), 843-846 (2009).</li><li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems [thesis]. , 55-55 (2013).</li><li>Nanospring Models via MATLAB and NanospringCarver. Davila group website [Internet] Available from: <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013)</li><li>. Blinkdagger - An Engineering and MATLAB blog [Internet] Available from: <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2014)</li></ol>

Modificación del enfoque original para crear estructuras nanohelical llevado al desarrollo de dos códigos distintos para permitir la creación de ambos nanocintas y nanosprings de un modelo inicial MD vidrio de sílice a granel. Fue perseguido La verificación de los modelos nanocinta sílice y nanospring utilizando diferentes paquetes de software de 19 a 20, que confirmó su precisión dimensional dentro de la capacidad de medición de los programas. Comparación entre nanosprings y nanocintas también se ...

Nanoestructuras helicoidales se producen típicamente en el laboratorio usando técnicas de deposición química de vapor de 1-2, mientras que los nuevos enfoques han sido reportados en la literatura 3. En particular nanosprings y nanocintas han sido estudiadas debido a sus distintas propiedades y aplicaciones prometedoras en sensores, óptica y dispositivos electromecánicos y de fluidos 4-7. Métodos de síntesis se han reportado para producir sílice (SiO 2) nanocintas, haciendo que estas estructuras de unidades de bloques de construcción potenciales para los sistemas jerárquicos. Síntesis Novela de nanosprings sílice 3D ha ampliado sus aplicaciones a chemiresistors cuando están cubiertas con ZnO 8 o nanopartículas para aplicaciones de diagnóstico 9-10. Los estudios experimentales sobre las propiedades mecánicas de nanosprings sílice y nanocintas son escasos, principalmente debido a las limitaciones actuales de manipulación de pruebas y métodos y equipment. Las investigaciones sobre los nanomecánica de nanoestructuras y nanosprings han reportado el uso de la teoría y simulaciones 11-14. Algunas simulaciones 13 han centrado en el comportamiento de nanomecánica nanosprings amorfos, ya que pueden explorar los regímenes no totalmente accesibles a través de la experimentación. Estudios atomísticos de nanosprings metálicos han sido reportados en la literatura para investigar la dependencia del tamaño de las propiedades elásticas 15, y más recientemente los nanomecánica de nanoestructuras de sílice cristalina helicoidal 14. Pruebas experimentales de estructuras nanospring también ha sido realizado en diferentes materiales tales como nanoestructuras de carbono y helicoidales nanocoils carbono 16-17. A pesar del conocimiento reunido hasta ahora, se necesita una comprensión más completa de las propiedades mecánicas de estos nuevos nanoestructuras para futuros esfuerzos de fabricación nanodispositivo. Como los estudios de MD g de sílicelass (sílice no cristalina) nanohelices son todavía algo limitadas, el modelado atomista de tales estructuras requiere la creación de códigos personalizados. No hay otros métodos alternativos de creación de modelos MD helicoidales de vidrio de sílice se han identificado hasta el momento en la literatura reciente búsqueda. En este trabajo, se persigue un enfoque de abajo hacia arriba para el modelado atomista de nanoestructuras de cristal de sílice helicoidales incluyendo nanosprings y nanocintas para futuras simulaciones MD nanomecánicos a gran escala. El enfoque general consiste en la creación de un modelo de vidrio MD &quot;a granel&quot; de sílice como se informó anteriormente 18, y forjar diversas nanoestructuras helicoidales de esta muestra &quot;mayor&quot; a través de dos códigos informáticos robustos y adaptables desarrollados para este fin. Ambos procedimientos computacionales ofrecen una manera distinta para crear modelos nanocinta y nanospring con gran eficiencia y detalle atomista; estas estructuras son adecuados para simulaciones atomísticos a gran escala.Además, una interfaz gráfica de usuario personalizado se utiliza para facilitar la creación y visualización de las estructuras helicoidales. La estructura del modelo de vidrio de sílice &quot;a granel&quot; se crea inicialmente a temperatura ambiente. Simulaciones MD de gran escala se llevan a cabo para este propósito utilizando la Garofalini interatómica potencial similar a estudios previos 18, que es relativamente eficiente computacionalmente y apropiado para sistemas grandes. La estructura de &quot;mayor&quot; de vidrio de sílice inicial consiste en un modelo cúbico (14,3 x 14,3 x 14,3 nm 3), que contiene 192.000 átomos. El modelo de vidrio de sílice &quot;a granel&quot; se equilibró a 300 K durante 0,5 nseg para obtener el estado inicial usando condiciones de contorno periódicas. Dos procedimientos computacionales están diseñados y utilizados para crear modelos nanocinta sílice y nanospring atomistas. El primer método consiste en forjar nanocintas sílice dela estructura &quot;a granel&quot;, utilizando las ecuaciones paramétricas que definen una hélice, y su geometría (tono, el radio de la hélice, y el radio del alambre). Este procedimiento incluye el uso de la lengua de programación AWK, el sistema operativo Linux, y software de visualización de código abierto 19. El procedimiento iterativo en general para crear modelos atomizados de nanocintas implica: (1) la selección de un átomo en el modelo de vidrio de sílice &quot;a granel&quot;, (2) el cálculo de la distancia desde el átomo seleccionado a un punto en el espacio en una función helicoidal pre-definido, (3) comparar esta distancia con el radio de la nanocinta deseada, y (4) descartar o mantener el átomo en un modelo de datos de salida. Una descripción detallada paso a paso de este método está incluido en los Códigos Escalable Open-Source material suplementario. Con este método, varios nanocintas de sílice fueron creados usando diferente paso, el radio de los valores de la hélice y el radio nanocinta, que se valora posteriormentede precisión en contra de los valores dimensionales deseadas con el análisis molecular y software de visualización 19-20. Modelos atomista de la nanocintas sílice se generaron con geometrías funcionales (altos valores de tono y bajos valores de radio nanocinta). Algunos artefactos, que consiste en átomos excluidos en el error, lo que lleva a una superficie nanocinta menos suave, se observaron a valores de radio nanocinta excesivamente altos y valores de tono extremadamente bajas. Métodos similares se han utilizado en el proceso de creación de nanocables de sílice 21-23. El segundo método que aquí se presenta incluye forjar nanosprings sílice de la estructura de sílice &quot;a granel&quot;, mediante la implementación de métodos de pre-selección para aumentar la eficiencia, además de las ecuaciones matemáticas de una hélice. Este procedimiento requiere la creación de un código más robusto C ++ para permitir una mayor flexibilidad en el modelado de estas nanoestructuras helicoidales. El método iterativo para crear Atomismodelos de tics de nanosprings incluye: (1) descartando todos los átomos garantizados a caer fuera de la trayectoria helicoidal, (2) seleccionar determinista un punto de la trayectoria helicoidal, (3) la comparación de todos los átomos dentro de una distancia específica a este punto seleccionado, y (4 ) descartar o almacenar cada átomo en un modelo de datos de salida. Una descripción paso a paso de este método también está incluido en los Códigos de Open-Source escalables material suplementario. Con este método, varios modelos nanospring sílice se obtuvieron con dimensiones variadas (radio, cable de radio de la hélice, y echada de nanospring) como muestran en la Figura 1. Se obtuvieron modelos de nanospring de sílice de alta precisión de manera eficiente con este método, sin evidencia de artefactos encontrados en extrema valores (bajo y alto) de paso para la nanospring. La creación y el uso de la interfaz gráfica de usuario para este método se describe en la sección de Protocolo. Figura 1:. Una estructura helicoidal general que muestra las dimensiones características, donde R, R y p representan la radio del alambre, el radio de la hélice, y el paso, respectivamente, H indica la altura total de la estructura helicoidal 23. Este protocolo se describe cómo preparar los archivos NanospringCarver, corriendo MATLAB 24 en un PC Linux de 25 años, y el uso de una interfaz gráfica de usuario para preparar modelos nanospring atomistas. Estos modelos anteriormente no disponibles sirven como base para nuevos dinámica molecular (MD) simulaciones 23 hacia la investigación de materiales de innovación. El procedimiento general paso a paso para crear modelos nanospring atomistas implica el uso de los siguientes elementos: (a) NanospringCarver (v. 0.5 beta) código (abierto-agriace en lenguaje C ++), (b) modelo de vidrio de sílice a granel (archivo de entrada), (c) interfaz de MATLAB GUI y archivos relacionados, y (d) el software MATLAB (versión 7) usando una licencia local en un PC Linux. Los productos que (a) - (c) anterior (código NanospringCarver, modelo de vidrio de sílice, archivos de MATLAB GUI) son de descarga gratuita en línea 26. MATLAB (Matrix Laboratory) es un lenguaje de alto nivel para el cálculo numérico, visualización y desarrollo de aplicaciones de MathWorks 24, que se utiliza principalmente para la visualización y análisis de datos, procesamiento de imágenes, y la biología computacional.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>MATLAB numerical computing software</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td><a href="http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html">http://www.mathworks.com/products/matlab/description1.html</a></td>
			<td>See Protocol Introduction and Reference [24]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanospringCarver program code and files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB GUI files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomistic bulk glass input file</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.2) and Reference [26]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IFrIT visualization software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://sites.google.com/site/ifrithome/">http://sites.google.com/site/ifrithome/</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 and Reference [19]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://www.lammps.sandia.gov/">http://www.lammps.sandia.gov/</a></td>
			<td>See Protocol Section 4 and Reference [32]</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3d visualization

Materiales elásticos como son omnipresentes en la naturaleza y de interés en la nanotecnología para la captación de energía, almacenamiento de hidrógeno, y aplicaciones de detección biológicos. Para las simulaciones de predicción, se ha convertido cada vez más importante para ser capaz de modelar la estructura de nanohelices precisión. Para estudiar el efecto de la estructura local de las propiedades de estas geometrías complejas hay que desarrollar modelos realistas. Hasta la fecha, los paquetes de software son bastante limitadas en la creación de modelos helicoidales atomistas. Este trabajo se centra en la producción de modelos atomistas de vidrio de sílice (SiO2) nanocintas y nanosprings de dinámica molecular (MD) simulaciones. El uso de un modelo de MD de &quot;mayor&quot; de vidrio de sílice, dos procedimientos de cálculo para crear precisamente la forma de nanocintas y nanosprings se presentan. El primer método emplea el lenguaje de programación de código abierto y el software AWK para tallar eficazmente varias formas de nanocintas sílice de la imodelo de mayor nitial, utilizando dimensiones deseadas y ecuaciones paramétricas para definir una hélice. Con este método, precisos nanocintas sílice atomizados pueden ser generados para un rango de valores de tono y dimensiones. El segundo método consiste en un código más robusto que permite flexibilidad en las estructuras de modelado nanohelical. Este enfoque utiliza un código de C ++ especialmente escrito para implementar los métodos de pre-selección, así como las ecuaciones matemáticas para una hélice, lo que resulta en una mayor precisión y eficiencia al crear modelos nanospring. El uso de estos códigos, bien definidos y nanocintas escalables y nanosprings adecuados para simulaciones atomista se pueden crear de manera efectiva. Un valor añadido en ambos códigos de fuente abierta es que pueden ser adaptados para reproducir diferentes estructuras helicoidales, independientes de material. Además, una interfaz gráfica de usuario de MATLAB (GUI) se utiliza para mejorar el aprendizaje a través de la visualización y la interacción de un usuario general con el heli atomistaestructuras cal. Una aplicación de estos métodos es el reciente estudio de nanohelices través MD simulaciones con fines de aprovechamiento de la energía mecánica.

Los modelos nanocinta atomísticos creados con el primer procedimiento computacional (código nanocintas) y sus dimensiones asociadas se muestran en la Figura 9. Los modelos resultantes nanospring utilizando el segundo procedimiento de cálculo (código nanosprings) y las dimensiones asociadas se muestran en la Figura 10. <img alt="Figura 9" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51372/51372fig9highres.jpg" width="...

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Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

El modelado preciso de las estructuras nanohelical es importante para los estudios de simulación predictiva que conducen a nuevas aplicaciones de la nanotecnología. Actualmente, los paquetes de software y los códigos están limitadas en la creación de modelos helicoidales atomistas. Se presentan dos procedimientos diseñados para crear modelos nanohelical atomistas para las simulaciones, y una interfaz gráfica para mejorar la investigación a través de la visualización.

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