【Materials Studio应用实例】Materials Studio(MS)结构模拟重构在晶体结构教学中的应用

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。

引言：

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。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，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。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。

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。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。

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。

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。

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