Лабораторный практикум Компютерное модел 2007

и вставить его из другой программы, например, из редактора Microsoft Word, через буфер обмена. Пример использования команды “Caption” приведен на рис. П.7.

Рис.П.7. Пример использования команды “Caption”

Примечание. При копировании изображения, создаваемого программой визуализации, в буфер обмена текст из подрисуночной области не копируется.

1.6. Просмотр последовательности кадров

При исследовании какой-либо системы полное представление о ее свойствах нельзя получить, если не иметь возможности наблюдать, как эта система эволюционирует. В частности, это относится к атомным нанокластерам. Программа визуализации позволяет просмотреть последовательность кадров, являющихся, как правило, результатом молекулярно-динамических расчетов, и детально отследить, как, исходя из начальных и внешних условий, атомный кластер трансформируется во времени.

Загрузка последовательности кадров в программу, структура файла-списка “Film.dat”, а также способы его создания описаны выше в пунктах 1.3 и 1.1. Напомним лишь, что файл “Film.dat”

81

представляет собой текстовый файл, в строках которого перечислены имена отдельных текстовых файлов с координатами атомов. После открытия файла “Film.dat” на экране появляется изображение структуры – первой из списка “Film.dat”.

Примечание. Общее количество кадров в загруженной последовательности можно посмотреть в информационном окне “Structure Info”, см. пункт 1.5. Кадры в программе визуализации нумеруются по порядку, как они записаны в списке “Film.dat” (первый файл из списка обозначается цифрой “1” и т.д.).

После того как изображение сформировано (см. пункт 1.4), то есть установлены все необходимые межатомные связи, выбраны ракурс изображения и его масштаб, можно приступать к просмотру “фильма”. Запуск воспроизведения последовательности кадров осуществляется нажатием кнопки “Play” , находящейся в нижней части панели инструментов. Текущий номер кадра отображается в поле “Frame” нижней части панели инструментов. Остановить воспроизведение можно нажатием кнопки “Stop” , находящейся рядом с кнопкой “Play”.

Примечание. В зависимости от быстродействия используемого компьютера скорость воспроизведения последовательности кадров меняется. Если скорость воспроизведения слишком велика или если необходимо внимательно исследовать какой-либо участок моле- кулярно-динамического процесса, то воспроизведение можно замедлить с помощью движка “Speed”, находящегося в самой нижней части панели инструментов. Также необходимо отметить, что во время воспроизведения последовательности кадров одновременно сохраняется возможность вращения и масштабирования изображения визуализатора.

При необходимости быстрой “перемотки” последовательности кадров в любом направлении необходимо воспользоваться движком “Frame”, находящимся над кнопками воспроизведения. Движок “Frame” обеспечивает также и прецизионную смену кадров с помощью клавиш управления курсором, находящихся в правой части клавиатуры компьютера. При однократном нажатии на любую из этих четырех клавиш номер кадра изменяется на единицу.

Во время воспроизведения последовательности кадров визуализатор отслеживает изменение длин изображенных на экране межатомных связей. Если длина связи превышает некоторую величину,

82

то связь разрывается, но вновь образующиеся связи не изображаются. Для того чтобы программа визуализации отслеживала появление новых связей во время воспроизведения фильма, нужно установить флажок “Trace Bonds” диалогового окна настроек изображения (см. пункт 1.4).

Примечание. Установка флажка “Trace Bonds” замедляет воспроизведение последовательности кадров.

В режиме статического изображения (когда воспроизведение остановлено) программа визуализации обеспечивает возможность определения текущих положений атомов и текущих значений длин межатомных связей. Для этого нужно указатель “мышки” подвести к изображению атома или связи на экране визуализатора. При этом рядом с указателем “мышки” появляется всплывающее окно, содержащее для атома – его тип (см. следующий пункт), номер и текущие значения координат (x,y,z), а для межатомной связи – номера атомов, которые она связывает, и длину связи. Для того чтобы программа визуализации отслеживала изменение указанных величин во время воспроизведения фильма, нужно установить флажок “Trace Hints” диалогового окна настроек изображения (см. пункт 1.4).

Примечание. Установка флажка “Trace Hints” замедляет воспроизведение последовательности кадров.

Если во время молекулярно-динамических расчетов наноструктура помещалась в замкнутый объем в виде параллелепипеда, границы которого изменялись во время моделирования, то в визуализаторе существует возможность изображения границ этого объема одновременно со структурой. Для этого в ту же директорию, в которой записана последовательность кадров, необходимо поместить файл “Box.dat”, в строках которого записаны три изменяющиеся положительные координаты вершины параллелепипеда. Количество строк в файле “Box.dat” должно совпадать с количеством кадров. Включать или выключать изображение границ ограничивающего объема в программе визуализации можно с помощью флажка “Display Box” диалогового окна настроек изображения (см. пункт 1.4).

83

2. Дополнительные возможности программы визуализации

2.1.Формирование изображения структур

снесколькими типами атомов

Вслучае, когда наноструктура состоит из атомов нескольких типов, возникает необходимость визуально различать эти типы атомов. В программе визуализации существует возможность изображения до 12 различных типов атомов. Типы атомов наноструктуры должны быть заданы в файле “Atoms.tps”, который размещается в той же директории, в которой записаны координаты атомов.

Встроках файла “Atoms.tps” для каждого атома структуры содержится номер его типа (от 1 до 12).

Настройка изображения для всех типов атомов в программе визуализации осуществляется в диалоговом окне “Atoms Tuning Dialog”, которое открывается после нажатия кнопки “Tune” – 4 на рис. П.4 диалогового окна настроек изображения (см. пункт 1.4). Диалоговое окно настроек типов представлено на рис. П.8.

Рис.П.8. Диалоговое окно настроек изображения типов атомов

84

Для того чтобы определить способ изображения какого-либо типа атомов, нужно сначала в разделе “Type” выбрать или указать номер типа (1 – 12). Далее в разделе “Name” можно (хотя и не обязательно) указать символьное обозначение типа. Параметры цвета, заполнения и размера устанавливаются так же, как это было описано для одного типа атомов (пункт 1.4). Сброс всех настроек (за исключением обозначений типов атомов) может быть осуществлен нажатием кнопки “Default”, расположенной в диалоговом окне. Подтверждение внесенных изменений производится нажатием кнопки “Ok”, расположенной там же.

2.2. Построение графиков величин, зависящих от времени

При выполнении молекулярно-динамических расчетов наряду с вычислением изменения координат и скоростей атомов, как правило, рассчитывается целый набор вспомогательных величин: потенциальная энергия, температура, давление и т.п. Таким образом, при исследовании возникает необходимость одновременно с выводом на экран компьютера изображений атомов также выводить графики зависимости указанных величин от времени. В программе визуализации для этой цели служит окно “Graphics”, которое открывается, если выбрать подпункт “Graphics Screen” пункта “View” основного меню программы. Общий вид окна “Graphics” представлен на рис. П.9.

Для того чтобы загрузить данные в программу, необходимо воспользоваться подпунктом “Open” пункта меню “File” окна “Graphics”. Данные могут быть записаны в файл с любым именем и расширением. Файл должен представлять собой текстовый файл, содержащий две колонки чисел: в первой колонке могут быть записаны значения моментов времени, во второй – соответствующие им значения выводимой на график величины. Формат представления чисел в текстовом файле стандартный для языков высокого уровня

(см. пункт 1.1).

Примечание. Количество записей в текстовом файле необязательно должно соответствовать количеству кадров в просматриваемой последовательности (в “фильме”).

После загрузки данных в программу в окне “Graphics” появляется график соответствующей зависимости. Всего в визуализатор

85

может быть загружено три зависимости, графики которых распола-

гаются на закладках “Plot1”, “Plot2” и “Plot3” окна “Graphics”. Те-

кущий момент времени на графике обозначает метка в виде черной точки, которая перемещается по графику во время воспроизведения последовательности кадров.

Рис.П.9. Окно “Graphics”

Для настроек изображения на графиках окна “Graphics” служит вспомогательное окно “Settings”, которое открывается, если щелкнуть “мышью” по пункту “Settings” меню окна “Graphics”. Вид окна “Settings” представлен на рис. П.10.

В окне “Settings” можно определить следующие параметры изображения: заголовки оси абсцисс и оси ординат графика, масштабирующие множители оси абсцисс и оси ординат графика, флажок логарифмического масштаба по оси ординат графика, толщину линии графика и размер метки. Флажок “Coloured” определяет, закрашена ли цветом рамка графика.

86

Рис.П.10. Окно “Settings”

Кнопка “Reset Scale” позволяет, не закрывая окна, внести изменения масштаба в изображение текущего графика. Подтверждение внесенных изменений осуществляется нажатием кнопки “Ok”, отмена – кнопки “Cancel”.

Скопировать изображение текущего графика в буфер обмена можно щелчком “мыши” по подпункту “Copy” пункта “Edit” меню окна “Graphics” или нажатием сочетания клавиш Ctrl+C.

2.3. Анализ геометрических характеристик визуализируемых структур

2.3.1. Анализ расстояний между атомами

Программа визуализации обеспечивает возможность анализа геометрии межатомных связей исследуемой наноструктуры.

Начать исследование структуры удобно с качественного рассмотрения распределения длин межатомных связей. Программа визуализации выполняет предварительную сортировку межатомных связей по их величине и объединяет их в зоны (bands) шириной 0.001 Å. Наблюдать появление новых межатомных связей с ростом номера зоны можно, если воспользоваться кнопками панели инструментов, находящимися в разделе “Neighbours“ (верхняя часть панели). Обычно связи появляются группами по несколь-

87

ко штук, что может отражать симметрию рассматриваемой наноструктуры.

Примечание. При анализе наноструктуры, для того чтобы уменьшить количество изображаемых связей изображая связи только из одной зоны, нужно установить флажок “Tight band”, находящийся в разделе “Neighbours“ панели инструментов.

Во время воспроизведения последовательности кадров, если связь, увеличиваясь, достигает значения длины связи в следующей зоне, то связь разрывается. Для того чтобы визуализатор отслеживал образование новых связей, нужно установить флажок “Trace Bonds” диалогового окна настроек изображения (см. пункт 1.6).

2.3.2. Расчет радиальной функции распределения

Более углубленное представление о структуре кластера могут дать статистические функции. Программа визуализации позволяет рассчитывать три такие зависимости: радиальную функцию распределения, среднее межатомное расстояние и угловую функцию распределения. Расчет всех трех функций производится в окне “Computations”, которое открывается щелчком “мышки” по пункту

“Computations” меню информационного окна “Structure Info”, кото-

рое, в свою очередь, вызывается выбором подпункта “Structure Info” пункта “View” основного меню программы визуализации (см. пункт 1.5).

Радиальная функция распределения (РФР) определяется следующим образом:

ϕ(R)=	1		dNR	,
	N0R
			dR

где dNR – относительное число атомов, попадающих в интервал R ÷ R + dR; R – расстояние между двумя атомами; N0R – нормиро-

вочный коэффициент.

Физический смысл РФР – вероятность обнаружить атом на расстоянии R от некоторого выбранного атома в интервале шириной dR.

Расчет радиальной функции распределения производится на странице “RFR” окна “Computations”. Вид окна при расчете РФР представлен на рис. П.11.

88

Рис.П.11. Расчет радиальной функции распределения

РФР является статистической функцией. Для того чтобы указать набор кадров, по которым набирается статистика, в редактируемые поля “Start frame” и “Final frame” необходимо ввести, соответственно, номера первого и последнего кадров диапазона. В редактируемых полях “Rmin” и “Rmax” задаются границы области межатомных расстояний, для которой рассчитывается РФР. Расчет радиальной функции распределения запускается нажатием кнопки “Ok” окна “Computations”. После того как функция рассчитана, ее в виде текстового файла можно сохранить на диск – для этого нужно нажать кнопку “Save”, расположенную в правом нижнем углу окна. График функции можно скопировать в буфер обмена – для этого нужно выбрать подпункт “Copy” пункта “Edit” меню окна “Computations” или нажать сочетание клавиш Ctrl+C. При нажатии кнопки “Save” открывается стандартное окно сохранения файла.

Примечание. Для всех трех статистических функций флажок “Coloured” определяет, цветовую закраску рамки графика.

89

2.3.3. Расчет среднего расстояния между атомами

Среднее межатомное расстояние (СМР) определяется как:

R =	1		∑rij
	Ni> j,r			,
		≤r	i> j ,rij ≤rcov
	ij	cov

где rcov – ковалентный радиус, rij – расстояние между двумя ато-

мами,	Ni> j,r	≤r	– полное число межатомных связей в нано-
	ij	cov

структуре, длина которых не превышает ковалентный радиус. Зависимость СМР от времени (от номера кадра) позволяет каче-

ственно и количественно анализировать различные трансформации наноструктур, в том числе фазовые переходы в них.

Расчет среднего межатомного расстояния производится на странице “R” окна “Computations”. Вид окна при расчете СМР представлен на рис. П.12.

Рис.П.12. Расчет среднего межатомного расстояния

90