ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Факультет компьютерных наук
Департамент программной инженерии
Выпускная квалификационная работа
на тему Программа для визуального анализа структурных характеристик кристаллических объектов
по направлению подготовки 09.03.04 «Программная инженерия»
Выполнил студент группы БПИ161
4 курса бакалавриата образовательной программы
«Программная инженерия»
Е.М. Нанивская
Москва 2020
Реферат
Основой фундаментального и прикладного материаловедения является установление связи «состав - строение - способ (условия) получения - свойства», на основании чего становится возможным управление свойствами материала направленным изменением условий синтеза, которые по отдельности или вместе самым непосредственным образом влияют на его реальный состав и специфику строения (структуры).
Объектом разработки вступает приложение, посвященное визуализации кристаллических структур неорганических соединений разных симметрий и их деталей. Применение программы позволит сократить количество экспериментов по методу «проб и ошибок» и прогнозировано подойти к получению нужного материала с необходимым набором состава и структурных параметров. До сих пор не был разработан продукт, обладающий всеми необходимыми свойствами на русском языке.
Данное приложение представляет из себя кроссплатформенное веб-приложение. Для хранения табличных значений предусмотрено использование серверной базы данных, что способствуют снижению нагрузки при работе с данными, а также позволяет на протяжении всего времени хранить и обрабатывать константные значения и сохранять текущие изменения.
В качестве языка программирования выступает С# с использованием технологий ASP.NET. В качестве среды, используемой для разработки выбрана Visual Studio 2019. Для реализации клиентской части выбраны языки HTML, JavaScript.
Работа содержит 42 страниц, 3 главы, 4 таблицы, 12 рисунков, 28 источников и 4 приложения.
Ключевые слова: материаловедение, визуализации кристаллических структур, веб-приложение.
Abstract
The establishment of the connection `composition - structure - obtaining method (conditions) - properties' is a ground of the fundamental and applied material science on whose basis the control at material's properties by directional change of synthesis conditions, which (separately or jointly) directly influence its real composition and structure's specifics. In this fundamental chain the composition and structure are basic.
The object of development is an application devoted to visualization of the crystal structures of inorganic compounds of different symmetries and their details. In turn, the application of the program will reduce the number of experiments using the “trial and error” method and it is predicted to get the right material with the necessary set of composition and structural parameters, however, a product that has all the necessary properties in Russian has not yet been developed.
This application will be a cross-platform web application. To store tabular values, it is provided to use a local database, which helps reduce the load when working with data, and also allows you to store and process constant values ??and save current changes throughout the entire time.
C # enters as a programming language using ASP.NET technologies. Visual Studio 2019 was chosen as the environment used for development. HTML and JavaScript languages were chosen for the implementation of the client part.
The work contains 42 pages, 3 chapters, 4 tables, 12 figures, 28 sources and 4 applications.
Keywords: materials science, visualization of crystal structures, web application.
Оглавление
приложение трехмерный ячейка визуализация
Список использованных определений и сокращений
Введение
1. Обзор методов и решений
1.1 Обзор основных источников, используемых в настоящей работе
1.2 Обзор существующих решений и аналогов
Выводы по главе
2. Описание алгоритмов и архитектуры приложения
2.1 Описание основного функционала программы
2.2 Кристаллическая решетка
2.3 Визуализация элементарной ячейке на 2D пространстве
2.4 Расчет межатомный расстояний
2.5 Расчет координационного окружения
2.6 Расчет валентных углов
2.7 Трехмерные преобразования и проекции
2.8 Визуализация элементарной ячейке на 3D пространстве
2.9 Расчет объема полиэдров
Выводы по главе
3. Инструменты и методы разработки приложения
3.1 Функциональные требования
3.2 Средства и инструменты разработки
3.3 Архитектура приложения
Выводы по главе
Заключение
Список используемой литературы
Список использованных определений и сокращений
Кристаллическая структура -- такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, называемая мотивной единицей, причём все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки.
Кристаллохимия -- наука о кристаллических структурах и их связи с природой вещества.
Рентгеноструктурный анализ (рентгенодифракционный анализ) -- один из дифракционных методов исследования структуры вещества. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке.
Кристаллическая решётка -- вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла.
Длина химической связи -- расстояние между ядрами химически связанных атомов
Корреляция или корреляционная зависимость -- статистическая взаимосвязь двух или более случайных величин
Валентный угол -- угол, образованный направлениями химических (ковалентных) связей, исходящими из одного атома.
Полиэдр - объединение многогранников не обязательно одинаковой размерности.
Сингония -- классификация кристаллографических групп симметрии, кристаллов и кристаллических решёток в зависимости от системы координат (координатного репера); группы симметрии с единой координатной системой объединяются в одну сингонию.
Решётка Браве -- понятие для характеристики кристаллической решётки относительно сдвигов.
Кристаллографические группы -- набор групп симметрий, которые описывают все возможные симметрии бесконечного количества периодически расположенных точек в трёхмерном пространстве.
Трансляция - это вектор, при переносе на который кристаллическая структура совмещается сама с собой.
Координационное число-- характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле.
Стехиометрия -- система законов, правил и терминов, обосновывающих расчёты состава веществ и количественных соотношений между массами (объёмами для газов) веществ в химических реакциях.
Стехиометрические соединения - химические соединения, атомы которых соответствуют простым пропорциям целых чисел, и потому каждое такое соединение представляет собой точную химическую формулу.
Введение
В настоящее время расшифрованы структуры сотен тысяч неорганических химических соединений, а также определено кристаллическое строение практически всех известных пяти с половиной тысяч минералов благодаря автоматизации и компьютеризации рентгеноструктурного анализа. На протяжении последнего столетия развивалась кристаллохимия - наука о кристаллических структурах. [6]
В фундаментальной цепочке состав и структура являются основными. Для соединений Аn Хm (А-катион, Х-анион) с разным характером связи, который определяется составом, существуют свои правила устойчивости структуры. Для стабильных соединений с преимущественно ионным характером связи это 5 правил Полинга, основным из которых является 2-ое правило: «Для соединений с преимущественно ионным характером связи сумма валентных усилий катионов, сходящихся на анионах, должна быть равна или почти равна валентности аниона». [28]
Это простое правило ограничивает число приемлемых для данного вещества структур, а также может служить контролем правильности определения кристаллической структуры. Для устойчивых кристаллических построек, в частности, минералов, отклонение от правила на превышает 10% и встречается редко, так как для полученных в лабораториях материалах нередки метастабильные соединения. Это правило выполняется абсолютно только для правильных координационных полиэдров, в которых расстояния от центра до вершины равны. Для искаженных полиэдров валентные усилия должны распределяться не равномерно, а каким -то образом зависеть от величины расстояния катион-анион.
Программы визуализации кристаллических структур являются неотъемлемым инструментом кристаллохимического анализа и позволяют проводить расчеты количественных характеристик структур - межатомных расстояний, валентных углов и объема полиэдра. Одним из наиболее популярных инструментов для визуализации - приложение для ПК “ Diamond” от немецкой компании “Crystallmpact”, которое работает на платформе Windows. Она предлагает обширный набор функций, которые позволяют легко моделировать любую произвольную часть кристаллической структуры из базового набора структурных параметров (ячейка, пространственная группа, атомные позиции). Однако данная программа не пригодна для проверки корректности определения состава соединений сложных композиций на основе расчета валентных усилий (не реализован данный функционал).
К сожалению, на данный момент ни одна программа для визуализации структуры не поддерживает русский язык. Приложение, которое описывается в данной работе, поддерживает русскоязычный интерфейс и позволяет выполнять те же самые функции, а также предусматривает визуальный анализ структурных характеристик кристаллических объектов в том числе опираясь на метод валентных усилий.
Целью работы является разработка программы для визуализации кристаллических структур неорганических соединений разных симметрий и их деталей.
Задачами работы являются:
1. Изучить методы 2D и 3D визуализации данных
2. Разработать отображение структуры на экран с возможностью размножения элементарной ячейки
3. Разработать методы построения отдельных полиэдр и их сочленения
4. Разработать пользовательский интерфейс
5. Предусмотреть возможность хранения всех основных данных (пространственные группы, соединения)
6. Предусмотреть возможность работы с разными соединениями, группами и структурами
7. Разработать методы расчета структурных параметров - межатомные расстояния, расчет валентных углов, объем ячейки и полиэдров
8. Изучить сторонние библиотеки для представления результатов
9. Протестировать разработанный программный продукт
10. Разработать техническую документацию.
Оставшаяся часть работы структурирована следующим образом: в первой главе рассмотрены источники и существующие программные аналоги визуализации кристаллической решетки. Во второй главе описано подробное описание выбранных алгоритмов, используемых в данной выпускной квалификационной работе. В третьей главе описана реализация программного продукта. В приложениях к работе приведена техническая документация программной реализации данной работы по ГОСТ.
1. Обзор методов и решений
Данная глава содержит обзор основных источников, используемых в текущей работе, а также обзор существующих решений (аналогов).
1.1 Обзор основных источников, используемых в настоящей работе
Второе правило Полинга - так называемое электростатическое правило - может быть сформулировано несколько по другому: В устойчивой существенно ионной структуре валентность каждого аниона, взятая с обратным знаком, точно или приблизительно равна сумме валентных усилий катионов первой координационной сферы: ZX== где ZX- формальный заряд аниона, - валентное усилие катиона, равное отношению его формального заряда ZA к координационному числу КЧА.
Было обнаружено, что «недосыщение» катионными усилиями анноны характеризуются в среднем более короткими связями с катионом, а «пересыщенные», наоборот, более длинными. Для структур с разными межатомными расстояниями силу валентных усилий можно рассчитать по формуле =, где R1- расстояние, которое оценивается в одну единицу валентного усилия, т.е. R1 - представляет собой эмпирический параметр, индивидуальный для каждого сорта атомов, R- экспериментальное значение межатомного расстояния. Формальный заряд (ФЗ) катиона (А) можно оценить по формуле =, зная его координационное окружение.
Формальный заряд катиона или аниона -условный заряд (в ряде случаев численно равный степени окисления), который обеспечивает электронейтральность стехиометрических соединений с учетом формульных коэффициентов (n и m) и нестехиометрических соединений при дополнительном учете свободных носителей заряда. В формулировке Полинга используется понятие «валентность», которое применимо для соединений с ковалентным типом связи. Однако правило Полинга можно с небольшими оговорками применить и для соединений с большой долей ковалентной составляющей связи.