关于结构Materials试述Studio（MS）结构模拟重构在晶体结构教学中运用征文
更新时间：2024-01-26
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摘 要：采用Materials Studio（MS）软件对材料的结构进行模拟和重构，把抽象的晶体结构（晶胞或者原子构型）以简单的可视三维原子球棍模型表示出来，促进学生更直观地理解复杂晶体结构，提高晶体结构教学的效果。通过建立晶胞和原子构型，形象描述晶体结构几何对称理论体系，并通过一些结构实例，如金刚石、石墨、碳纳米管和其他碳的同素异构体来阐述MS在材料化学和材料科学教程中的应用过程。根据这些原子模拟构型，可以使得晶体结构特征更清晰更简单地表示出来，通过这种方式，大大促进了学生对晶体结构相关参数和对称特征等抽象概念的理解和掌握，同时也引发学生对晶体结构学习的兴趣和积极性。
关键词：模拟 结构重构 晶体结构 材料化学 材料科学课程
Practice of Materials Studio （MS） modeling and structural rebuilding in crystal structure teaching
Xu Yong1，2， Wang Zhigang1， Liu Kegao1， Wang Xianzhong1， Shi Lei1， Wang Fuming2， Lin Junpin2
1.Shandong jianzhu university， Jinan， 250101， China 2. University of science and technology Beijing， Beijing， 100083， China
Abstract： Modeling and structural rebuilding of crystal structure in materials chemistry and materials science curriculum was practiced and applied to kee摘自：毕业论文摘要范文www.618jyw.com
p it simple and understandable by using MS. The unit cells and atomic configurations are produced to show the theory system of geometry description of crystal structure. Several examples， as diamond， graphite， nanomaterial and advanced carbon materials， are employed to describe the main application of MS in materials chemistry and materials science teaching. According to these atomic modeling configurations， crystal structures exhibit a clearly and understandable appearance for us. So， the meaning of learning and understanding the related parameters of geometry description of crystal structure was explored with the point which helped students to realize and master the abstract concepts of crystal structure.
Key words： modeling； structural rebuilding； crystal structure； materials chemistry； materials science curriculum
材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用[1-3]。然而，与晶体结构相关的一些概念和理论大多源于数学理论体系，如空间群、对称性和Wyckoff占位等，与几何对称有着密切的联系，因此其理论体系非常抽象和难以理解[4]，需要学生具有很强的基础理论功底和空间想象能力，但在现实教育教学中，学生往往很难具备如此深厚的理论基础和理解能力，因此给课堂教学带来很大的困难，这是目前材料化学和材料科学课程教学中的一个难题[5]。而要理解和掌握相关的晶体结构知识需要学生付出非常多的时间去学习和训练，给学生带来很重的学习负担和压力[6，7]。因此，开发和建立一种全新的可视化空间构型，将原子在三维空间中的分布明确地表达出来，是非常重要也是非常必要的，以此促进学生对真实晶体结构的深入理解和掌握[4，8]。通常有两种方法可建立原子构型[4]，第一种是通过使用金属或者塑料球，手工制作原子模型，这种方法适于建立简单、易于构造的晶体结构，对于复杂、难以构造的晶体结构，往往要浪费大量的时间来制作，且很难运输和使用，因此在实际教学中难以得到推广。在此情况下，我们往往选择第二种方法，即通过三维电子图像和动画对象的方法，将计算机软件引入课程教学中。在材料科学领域中，MS（Materials Studio）是一个著名的晶体结构构造和模拟专业软件[8]，大大提高了计算材料科学的可操作性[9-11]。MS给化学家、材料学家和工程技术人员提供了一个灵活、简单可行的工作环境和强大工具，它可以轻松直观地展示材料的结构和性能，并能解决化学和材料学领域中的一些极端问题。通过MS建立多个原子构型（复杂的碳的同素异构体结构）解决晶体结构及与对称性和晶体学相关理论问题，以此实现MS在晶体结构中的应用，促进学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
1 MS软件介绍[12]
MS Modeling软件是由Accelrys?公司开发的一款具有灵活操作环境的材料科学领域专业软件，拥有世界上最先进的材料学模拟和构型技术，可以轻松构建出分子结构、晶体结构和各种复杂原子构型，通过高分辨的精细图像技术显示出来，并通过标准计算机工具箱进行控制操作和人机互动。Accelrys?公司开发了MS软件，涵盖了包括量子力学、分子力学、介观模拟、分析仪器仿真和统计相关等多个领域的理论知识，并将它们综合在一个简单易用的模拟环境下，通过构造结构构型和可视化等处理，对相关科学数据加以描述和表达。 笔者采用MS可视化共享软件Materials Studio Visualizer （version 4.0）对晶体结构进行模拟和重构，此软件允许研究者对分子模型、晶体结构、表面、高分子和介观结构进行修改、重建和多角度观察。Materials Studio Visualizer同时包含一系列计算工具，如量子化、原子化、介观化和统计化等，可以实现对材料进行不同粒子尺寸和时间范围内的评估计算。另外，还包括对晶体结构和晶体生长方面的计算和评估。
2 原子构型建立过程
在已知晶体结构信息条件下，在MS中可以采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过查找文献（如Acta Crystallographica）获得，也可以通过晶体结构数据库（如Inorganic Crystal Structure Database，ICSD）软件进行查询。通过这些文献或数据库软件，可以得到相关的晶体结构数据文件（如.cif文件），并直接导入MS软件中获得原子结构图。另外一种方法则是直接在MS中调用已知的一些原子结构，但往往这些结构的种类比较少，很难达到我们的要求。因此，一般情源于：标准论文格式范文www.618jyw.com
况下，需要工作人员手工查询相关的结构参数信息，然后根据MS命令构建原子构型和晶体结构。
MS中构建晶体结构一般需要如下信息：
晶格常数，如a，b，c，α，β，γ；
晶体结构所属空间群，或者空间；
晶胞中的原子占位，如原子类型及相关的坐标x，y，z。
选用碳的同素异构体作为研究对象，研究MS构型建立的过程，主要包括金刚石、石墨、碳纳米管和富勒烯几种结构类型。笔者以金刚石晶体结构建立过程为实例，其构型建立过程如下：
首先，获取金刚石的相关结构参数信息（见表1）。打开MS软件，在菜单栏中找到Build命令，通过Build Crystal命令打开一个相关的晶胞构建对话框，手工将结构参数输入相应的位置，如通过空间获得相应的空间群类型，并输入晶格常数，最后得到一个相应的不包含原子的空间图框。建立空间图框后就可以在空间中添加相应的原子。在本例中，仅需要添加一种原子类型（碳原子）即可，但对于多原子种类的合金来说，需要添加不同类型的原子，但基本操作过程是一样的，所以本文不再赘述。添加原子时，需要根据对称条件，对不同对称位置上的原子进行多次添加，如果仅有一种原子占位类型，则添加一次原子即可，如所选示例的金刚石结构。在添加原子的对话框中需要添加原子的位置（x，y，z）和占位比例（SOF）。完成添加后即可得到相应的晶体结构示意图，如图1所示，展示了一个完美的金刚石球棍模型图。采用相同的构建方法，可以获得其他碳的同素异构体的相关原子结构，甚至很复杂的结构也可以得到完整的描述，如富勒烯和碳纳米管的结构（如图2所示）。对于富勒烯，通常只是了解其类似于足球的一种结构特征，但一般情况下很难想象其在空间中的其他分布规律，但通过构建原子模型，可以很容易地看到，这些足球状的富勒烯原子团，又在空间上形成了一个大的面心立方结构，如图2a所示，大大提高了结构特征的表述能力。因此，通过结构模型重建可以简单易懂地对相关结构特征和规律进行描述，能够极大地提高学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
表1 金刚石结构的相关信息[13]
图1 金刚石原子结构图
a富勒烯结构模型 b碳纳米管的原子结构模型
图2
除了构建原子模型之外，MS还可以对原子构型进行多视角观察和改变原子表现形式等操作，如图3所示。图3a给出了石墨原子构型的侧视图，可以看出原子呈层状排列，每一层原子以六边形的形式密排在一起（可以用不同颜色进行标识）。而图3b则展示了石墨原子结构的俯视图（沿c轴），可以清晰地看到每一个原子层的原子排列规律以及原子层的堆垛顺序类型等信息。由此看出，可以通过改变模型视角来分析不同结构原子面的原子分布规律和堆垛类型等深层次的结构信息，而且简单明了、清晰易懂，有利于学生深入理解晶体结构的取向、对称性等方面的基础理论信息。
a侧视图 b俯视图（沿0001面）
图3 石墨的原子结构模型
3 结束语
通过以上分析可知，可以在MS中直接构建晶体结构模型，包括复杂的晶体结构。对这些重建的晶胞结构可以很简单的进行编辑和优化，并在三维空间中进行多视角观察和分析，在很大程度上再现了晶体结构的真实图像，大大提高了学生对晶体结构的理解和对相关结构信息与规律的有效掌握，优化了晶体结构的教学效果。
参考文献
Song Y.， Zalij P. Y.， Suzuki M.， Whittingham M. S..New Iron（III） Phosphate Phases： Crystal Structure and Electrochemical and Magnetic Properties[J]. Inorganic Chemistry， 2002，41（22）：5778-5786.
Scherf U.， List E. J. W.. Semiconducting Polyfluorenes-Towards Reliable Structure-Property Relationships[J]. Advanced Materials，2002，14（7）：477-487.
[3]Wuttig M.， Steimer C. Phase change materials： From material science to novel storage devices[J]. Applied Physics A， 2007，87（3）：411-417.
[4]雷家珩，郭丽萍，张喆文.《晶体结构基础》计算机三维动画教学软件的研制[J].计算机与应用化学，2006，19（4）：483-485. [5]Steele B. C. H.. Material science and engineering： the enabling technology for the commercialisation of fuel cell systems [J].Journal of Materials Science，2001，36（5）：1053-1068.
[6]张翼，范洪富，吴松.多媒体教学软件制作中常用的工具及制作技巧[J].计算机与应用化学，2006，23（7）：683-688.
[7]李立，冉鸣.用Diamond软件解决晶体结构教学的难点[J].教育传播与技术，2005，4（47）：32-35.
[8]Altomare A.， Burla M. C.， Camalli M.， Cascarano G. L.， Giacovazzo C.， Guagliardi A.， Moliterni A. G. G.， Polidori G.， Spagna R.. SIR97： a new tool for crystal structure determination and refinement[J].Journal of Applied Crystallography， 1999，32（1）：115-119.
[9]Song Z. Y. F. H. W.， Gang S. Z. J.. Tools and technology in multimedia teaching software[J].Computers and Applied Chemistry，2006，7：26.
[10]Odegard G. M.， Clancy T. C.， Gates T. S.， Modeling of the mechanical properties of nanoparticle/polymer composites[J].Polymer， 2005，46（2）：553-562.
[11]Fan H. B.， Yuen M. M. F.. Material properties of the cross-linked epoxy resin compound predicted by molecular dynamics simulation[J].Polymer，2007，48（7）：2174-2178.
[12]Materials Studio Overview[EB/OL]. http：//accelrys.com/products/materials-studio/.
[13]Riley D. P.， Lattice constant of diamond and the C-C single bond [J].Nature，1944，153：587-588. 摘自：本科生毕业论文www.618jyw.com
关键词：模拟 结构重构 晶体结构 材料化学 材料科学课程
Practice of Materials Studio （MS） modeling and structural rebuilding in crystal structure teaching
Xu Yong1，2， Wang Zhigang1， Liu Kegao1， Wang Xianzhong1， Shi Lei1， Wang Fuming2， Lin Junpin2
1.Shandong jianzhu university， Jinan， 250101， China 2. University of science and technology Beijing， Beijing， 100083， China
Abstract： Modeling and structural rebuilding of crystal structure in materials chemistry and materials science curriculum was practiced and applied to kee摘自：毕业论文摘要范文www.618jyw.com
p it simple and understandable by using MS. The unit cells and atomic configurations are produced to show the theory system of geometry description of crystal structure. Several examples， as diamond， graphite， nanomaterial and advanced carbon materials， are employed to describe the main application of MS in materials chemistry and materials science teaching. According to these atomic modeling configurations， crystal structures exhibit a clearly and understandable appearance for us. So， the meaning of learning and understanding the related parameters of geometry description of crystal structure was explored with the point which helped students to realize and master the abstract concepts of crystal structure.
Key words： modeling； structural rebuilding； crystal structure； materials chemistry； materials science curriculum
材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用[1-3]。然而，与晶体结构相关的一些概念和理论大多源于数学理论体系，如空间群、对称性和Wyckoff占位等，与几何对称有着密切的联系，因此其理论体系非常抽象和难以理解[4]，需要学生具有很强的基础理论功底和空间想象能力，但在现实教育教学中，学生往往很难具备如此深厚的理论基础和理解能力，因此给课堂教学带来很大的困难，这是目前材料化学和材料科学课程教学中的一个难题[5]。而要理解和掌握相关的晶体结构知识需要学生付出非常多的时间去学习和训练，给学生带来很重的学习负担和压力[6，7]。因此，开发和建立一种全新的可视化空间构型，将原子在三维空间中的分布明确地表达出来，是非常重要也是非常必要的，以此促进学生对真实晶体结构的深入理解和掌握[4，8]。通常有两种方法可建立原子构型[4]，第一种是通过使用金属或者塑料球，手工制作原子模型，这种方法适于建立简单、易于构造的晶体结构，对于复杂、难以构造的晶体结构，往往要浪费大量的时间来制作，且很难运输和使用，因此在实际教学中难以得到推广。在此情况下，我们往往选择第二种方法，即通过三维电子图像和动画对象的方法，将计算机软件引入课程教学中。在材料科学领域中，MS（Materials Studio）是一个著名的晶体结构构造和模拟专业软件[8]，大大提高了计算材料科学的可操作性[9-11]。MS给化学家、材料学家和工程技术人员提供了一个灵活、简单可行的工作环境和强大工具，它可以轻松直观地展示材料的结构和性能，并能解决化学和材料学领域中的一些极端问题。通过MS建立多个原子构型（复杂的碳的同素异构体结构）解决晶体结构及与对称性和晶体学相关理论问题，以此实现MS在晶体结构中的应用，促进学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
1 MS软件介绍[12]
MS Modeling软件是由Accelrys?公司开发的一款具有灵活操作环境的材料科学领域专业软件，拥有世界上最先进的材料学模拟和构型技术，可以轻松构建出分子结构、晶体结构和各种复杂原子构型，通过高分辨的精细图像技术显示出来，并通过标准计算机工具箱进行控制操作和人机互动。Accelrys?公司开发了MS软件，涵盖了包括量子力学、分子力学、介观模拟、分析仪器仿真和统计相关等多个领域的理论知识，并将它们综合在一个简单易用的模拟环境下，通过构造结构构型和可视化等处理，对相关科学数据加以描述和表达。 笔者采用MS可视化共享软件Materials Studio Visualizer （version 4.0）对晶体结构进行模拟和重构，此软件允许研究者对分子模型、晶体结构、表面、高分子和介观结构进行修改、重建和多角度观察。Materials Studio Visualizer同时包含一系列计算工具，如量子化、原子化、介观化和统计化等，可以实现对材料进行不同粒子尺寸和时间范围内的评估计算。另外，还包括对晶体结构和晶体生长方面的计算和评估。
2 原子构型建立过程
在已知晶体结构信息条件下，在MS中可以采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过查找文献（如Acta Crystallographica）获得，也可以通过晶体结构数据库（如Inorganic Crystal Structure Database，ICSD）软件进行查询。通过这些文献或数据库软件，可以得到相关的晶体结构数据文件（如.cif文件），并直接导入MS软件中获得原子结构图。另外一种方法则是直接在MS中调用已知的一些原子结构，但往往这些结构的种类比较少，很难达到我们的要求。因此，一般情源于：标准论文格式范文www.618jyw.com
况下，需要工作人员手工查询相关的结构参数信息，然后根据MS命令构建原子构型和晶体结构。
MS中构建晶体结构一般需要如下信息：
晶格常数，如a，b，c，α，β，γ；
晶体结构所属空间群，或者空间；
晶胞中的原子占位，如原子类型及相关的坐标x，y，z。
选用碳的同素异构体作为研究对象，研究MS构型建立的过程，主要包括金刚石、石墨、碳纳米管和富勒烯几种结构类型。笔者以金刚石晶体结构建立过程为实例，其构型建立过程如下：
首先，获取金刚石的相关结构参数信息（见表1）。打开MS软件，在菜单栏中找到Build命令，通过Build Crystal命令打开一个相关的晶胞构建对话框，手工将结构参数输入相应的位置，如通过空间获得相应的空间群类型，并输入晶格常数，最后得到一个相应的不包含原子的空间图框。建立空间图框后就可以在空间中添加相应的原子。在本例中，仅需要添加一种原子类型（碳原子）即可，但对于多原子种类的合金来说，需要添加不同类型的原子，但基本操作过程是一样的，所以本文不再赘述。添加原子时，需要根据对称条件，对不同对称位置上的原子进行多次添加，如果仅有一种原子占位类型，则添加一次原子即可，如所选示例的金刚石结构。在添加原子的对话框中需要添加原子的位置（x，y，z）和占位比例（SOF）。完成添加后即可得到相应的晶体结构示意图，如图1所示，展示了一个完美的金刚石球棍模型图。采用相同的构建方法，可以获得其他碳的同素异构体的相关原子结构，甚至很复杂的结构也可以得到完整的描述，如富勒烯和碳纳米管的结构（如图2所示）。对于富勒烯，通常只是了解其类似于足球的一种结构特征，但一般情况下很难想象其在空间中的其他分布规律，但通过构建原子模型，可以很容易地看到，这些足球状的富勒烯原子团，又在空间上形成了一个大的面心立方结构，如图2a所示，大大提高了结构特征的表述能力。因此，通过结构模型重建可以简单易懂地对相关结构特征和规律进行描述，能够极大地提高学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
表1 金刚石结构的相关信息[13]
图1 金刚石原子结构图
a富勒烯结构模型 b碳纳米管的原子结构模型
图2
除了构建原子模型之外，MS还可以对原子构型进行多视角观察和改变原子表现形式等操作，如图3所示。图3a给出了石墨原子构型的侧视图，可以看出原子呈层状排列，每一层原子以六边形的形式密排在一起（可以用不同颜色进行标识）。而图3b则展示了石墨原子结构的俯视图（沿c轴），可以清晰地看到每一个原子层的原子排列规律以及原子层的堆垛顺序类型等信息。由此看出，可以通过改变模型视角来分析不同结构原子面的原子分布规律和堆垛类型等深层次的结构信息，而且简单明了、清晰易懂，有利于学生深入理解晶体结构的取向、对称性等方面的基础理论信息。
a侧视图 b俯视图（沿0001面）
图3 石墨的原子结构模型
3 结束语
通过以上分析可知，可以在MS中直接构建晶体结构模型，包括复杂的晶体结构。对这些重建的晶胞结构可以很简单的进行编辑和优化，并在三维空间中进行多视角观察和分析，在很大程度上再现了晶体结构的真实图像，大大提高了学生对晶体结构的理解和对相关结构信息与规律的有效掌握，优化了晶体结构的教学效果。
参考文献
Song Y.， Zalij P. Y.， Suzuki M.， Whittingham M. S..New Iron（III） Phosphate Phases： Crystal Structure and Electrochemical and Magnetic Properties[J]. Inorganic Chemistry， 2002，41（22）：5778-5786.
Scherf U.， List E. J. W.. Semiconducting Polyfluorenes-Towards Reliable Structure-Property Relationships[J]. Advanced Materials，2002，14（7）：477-487.
[3]Wuttig M.， Steimer C. Phase change materials： From material science to novel storage devices[J]. Applied Physics A， 2007，87（3）：411-417.
[4]雷家珩，郭丽萍，张喆文.《晶体结构基础》计算机三维动画教学软件的研制[J].计算机与应用化学，2006，19（4）：483-485. [5]Steele B. C. H.. Material science and engineering： the enabling technology for the commercialisation of fuel cell systems [J].Journal of Materials Science，2001，36（5）：1053-1068.
[6]张翼，范洪富，吴松.多媒体教学软件制作中常用的工具及制作技巧[J].计算机与应用化学，2006，23（7）：683-688.
[7]李立，冉鸣.用Diamond软件解决晶体结构教学的难点[J].教育传播与技术，2005，4（47）：32-35.
[8]Altomare A.， Burla M. C.， Camalli M.， Cascarano G. L.， Giacovazzo C.， Guagliardi A.， Moliterni A. G. G.， Polidori G.， Spagna R.. SIR97： a new tool for crystal structure determination and refinement[J].Journal of Applied Crystallography， 1999，32（1）：115-119.
[9]Song Z. Y. F. H. W.， Gang S. Z. J.. Tools and technology in multimedia teaching software[J].Computers and Applied Chemistry，2006，7：26.
[10]Odegard G. M.， Clancy T. C.， Gates T. S.， Modeling of the mechanical properties of nanoparticle/polymer composites[J].Polymer， 2005，46（2）：553-562.
[11]Fan H. B.， Yuen M. M. F.. Material properties of the cross-linked epoxy resin compound predicted by molecular dynamics simulation[J].Polymer，2007，48（7）：2174-2178.
[12]Materials Studio Overview[EB/OL]. http：//accelrys.com/products/materials-studio/.
[13]Riley D. P.， Lattice constant of diamond and the C-C single bond [J].Nature，1944，153：587-588. 摘自：本科生毕业论文www.618jyw.com
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