АНАЛИЗ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ ЛОНСДЕЙЛИТА

ANALYSIS OF SOFTWARE FOR THE CREATION AND STUDY OF MODELS OF CRYSTAL LATTICE OF LONSDALEITE

Denis Fomin

postgraduate student, Amur State University,

Russia, Blagoveshchensk

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является выбор программного инструмента, подходящего для проведения исследования применимости к лонсдейлиту метода описания кристаллической структуры Сычёва М.С. Автором формулируются требования к программному инструменту, производится анализ существующего программного обеспечения и перспектива разработки специализированного приложения, и делается заключение о целесообразности разработки специального программного обеспечения.

ABSTRACT

The aim of this work is the choice of software tool suitable for the study of the applicability of the method of describing the crystal structure by Sychev M. S. to lonsdeylite. The author formulates the requirements for software tool, analyzes of existing software and the prospect of the development of a dedicated app and makes a conclusion about expediency of development of special software.

Ключевые слова: кристаллография; кристаллическая решётка; лонсдейлит; гексагональная сингония; постоянная маделунга; коэффициент компактности; матричная модель; кубическая сетка; анализ программного обеспечения.

Keywords: crystallography; crystal cell; lonsdaleite; hexagonal syngony; constant madelung; coefficient of compactness; matrix model; cubic grid; analysis of software.

На данный момент актуальны задачи разработки новых и исследования существующих соединений, находящихся в конденсированном состоянии. А также задачи, связанные с разработкой и совершенствованием методов расчёта параметров кристаллических решёток таких соединений. Одними из наиболее важных параметров считаются постоянная Маделунга и коэффициент компактности [1, с. 410–424; 3, с. 5–6; 10–15].

Среди различных методов описания кристаллических решёток и основанных на них методов расчёта названных ключевых параметров определённый интерес предлагают методы предложенные Сычёвым М.С. в работах [3, с. 33–54; 57–82; 4, с. 86–101] и ряде других. Его методы имеют ряд достоинств, однако на данный момент, они применимы только к соединениям с кристаллической структурой кубической сингонии.

В работе [5] предлагается способ проверки возможности распространения метода компактного матричного описания кристаллических структур и основанных на нём методов расчёта коэффициента компактности и постоянной Маделунга на кристаллические решётки гексагональной сингонии. Предложенный способ состоит в построении моделей кристаллической структуры гексагонального алмаза и кубической сетки с последующим их совмещением. При этом задача состоит в подборе такого взаимного расположения моделей структур и таких значений их размеров друг относительно друга, чтобы при совмещении все узлы модели лонсдейлита совпали с некоторыми узлами кубической сетки [5].

Для построения моделей кристаллической структуры лонсдейлита и кубической сетки, а также выполнения над ними описанных выше действий, применение компьютеров и специального программного обеспечения является целесообразным. Но возникает вопрос, какое программное обеспечение обладает необходимыми возможностями для проведения данного исследования? И будет ли целесообразной разработка соответствующего собственного программного обеспечения, обладающего необходимыми возможностями? Для ответа на эти вопросы нужно решить следующие задачи:

1. определить критерии оценки программного обеспечения, по которым можно определить, подходит ли оно для создания и исследования моделей структуры гексагонального алмаза и кубической сетки;
2. составить список программного обеспечения, которое может отвечать названным критериям;
3. провести анализ отобранного программного обеспечения по заданным критериям;
4. сделать выводы о целесообразности использования проанализированных программных продуктов и о целесообразности разработки специального собственного программного обеспечения.

Критерии оценки программного обеспечения в контексте данной статьи следуют из задачи, которую предстоит решить. А именно из задачи о поиске и проверке вариантов взаимного расположения и относительных размерах модели структуры гексагонального алмаза и кубической сетки по средством построения и наложения моделей, а так же их визуализации и проведения численного анализа. Соответственно программный продукт, пригодный для решения этой задачи, должен удовлетворять следующим критериям:

1. должен обеспечивать возможность построения визуальной модели структуры кристалла гексагонального алмаза с заданными длиной ребра тетраэдра, количеством базисных элементов (тетраэдров) по трём направлениям, ориентацией в пространстве;
2. должен обеспечивать возможность построения визуальной модели кубической сетки с заданными длиной ребра куба, количеством базисных элементов (кубов) по 3-м направлениям, ориентацией в пространстве;
3. должен обеспечивать возможность наложения этих структур друг на друга;
4. должен обеспечивать возможность просмотра построенных структур и результата их наложения с разных точек и углов обзора;
5. должен предоставлять заключение о результате наложения структур друг на друга, соответствующее формату <совпадение | не совпадение> [список идентификаторов узлов тетраэдрической структуры не совпавших ни с одним из узлов кубической структуры] или в аналогичной форме;
6. программа должна давать результат за приемлемое время;
7. программа должна быть удобна в обращении и использовании.

Для построения моделей кристаллических структур на практике применяется как специализированные, так и не специализированные программные инструменты. К специализированным программным инструментам относятся молекулярные редакторы. К числу не специализированных программных продуктов можно отнести различные программы построения чертежей, САПР, 3D-редакторы и математические пакеты. Стоит отметить, что поставленная задача является весьма специфичной и сформулированные критерии наследуют это свойство. Поэтому подобрать существующий программный инструмент, подходящий для решения этой задачи, представляется затруднительным и предстоящий анализ может выявить потребность в создании специального программного обеспечения.

Специализированное программное обеспечение

OlexSys Crystallography – программа направленная прежде всего на помощь в разработке и исследовании полимеров [11, с. 339–341; 16]. Данная программа является мощным комплексным инструментом с открытым исходным кодом. Однако версия OlexSys Crystallography для платформы Windows x64 показала не вполне стабильную. Кроме того, данная программа в силу многообразия своих возможностей сложна в использовании, что усугубляется состоянием официальной документации. К тому же OlexSys Crystallography не содержит возможностей, обеспечивающих соответствие критериям № 3-5, 7.

CrystalMaker – программа предназначена для моделирования и визуализации кристаллов и молекул любых типов, выполнять над ними различные преобразования, производить измерения, сохранять результат моделирования в графических и видеофайлах [9; 10]. Данная программа позволяет создавать из базовой ячейки структуру требуемого размера. Так же к достоинствам CrystalMaker можно отнести удобный интерфейс, в особенности элементы, связанные с отображением и редактированием текущей кристаллической или молекулярной структуры. Кроме того, документацию, входящую в состав пакета установки, и почти полнофункциональную пробную версию, позволяющую использовать все возможности программы. Недостатками программы является её дороговизна: стандартная лицензия для персонального использования стоит 750 $ [9], что на момент написания статьи составляет примерно 48 000 рублей. Кроме того, данная программа не соответствует предложенным критериям № 3-5.

Crystal Studio – программа предназначенная для создания, манипуляции и визуализации кристаллических и многомолекулярных структур и поверхностей. А также для моделирования дефектов различного типа и моделирования дифракции в случае рентгеновского, нейтронного или электронного воздействия [8]. Данная программа обладает большим набором возможностей, удобным, хорошо продуманным интерфейсом и качественным отображением текущей структуры. Недостатком данной программы так же можно назвать её цену: на момент написания статьи 1 персональная лицензия на профессиональную версию Crystal Studio стоила 1398 $, что составляет примерно 84 500 рублей. Кроме того, эта программа не соответствует критериям № 3-5.

Avogadro – кросплатформенная программа с открытым исходным кодом, предназначенная для создания и редактирования молекулярных и кристаллических структур. Программа обладает простым, удобным, интуитивно понятным интерфейсом, возможностью расширения функций с помощью дополнительных модулей. Avogadro позволяет создавать, редактировать и визуализировать кристаллические и молекулярные структуры [7; 15, с. 1–17]. Так же, Avogadro позволяет формировать кристалл заданного размера по 3 направлениям, используя элементарную ячейку. К минусам данной программы можно отнести не совсем стабильную работу на платформе Windows x64, дублирование частиц при формировании структуры из элементарной ячейки, возникновение «замираний» при выделении и изменении группы частиц большой структуры. Данная программа не соответствует критериям № 3-5.

Не специализированное программное обеспечение

Bender – свободный профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики. В возможности этого программного продукта входит создание и обработка, анимация трёхмерных сцен, моделирование динамики мягких и твёрдых тел, базовые функции редактирования видео, создание и обработка python-скриптов [13]. Blender не содержит необходимых возможностей в явном виде, но он может быть использован для решения поставленной задачи благодаря возможности использования скриптов и хорошему документальному сопровождению. Однако, соответствие критерию № 7 нужно признать не полным, так как работа с программой требует специальной подготовки.

Autodesk 3ds Max – программная система во многом аналогичная пакету Blender. Autodesk 3ds Max так же содержит средства создания, редактирования, визуализации и анимации трёхмерных сцен. Данная программная система так же хорошо документирована, имеет возможности видео монтажа и моделирования динамики твёрдых и мягких тел, поддерживает скрипты на собственном встроенном языке. Система распространяется под несколькими типами лицензий, в том числе присутствует бесплатная полнофункциональная версия, доступная для учащихся после регистрации на сайте разработчиков [6]. Соответственно, в отношении Autodesk 3ds Max можно сделать такой же вывод, как и о программном пакете Blender.

Компас-3D – программная система, предназначенная для создания трёхмерных моделей деталей и их чертежей в разных проекциях [2]. Данная программная система позволяет создать модель элементарной ячейки кристалла. Но, так как Компас-3D не предназначен для таких построений и, тем более, для манипуляций с ними, создать такую модель будет не очень просто, а построение на её основе большего фрагмента кристаллической решётки оказывается очень неудобным и долгим. Кроме того, данная программа Система Компас-3D не удовлетворяет критериям № 3-7.

GeoGebra – кроссплатформенная программа, предназначенная для построения геометрических и стереометрических чертежей, выполнение алгебраических вычислений, а так же ряд возможностей, связанных с различными разделами математики [12]. Данная программа обладает простым и удобным интерфейсом; позволяет построить необходимые структуры с помощью соответствующих средств создания стереометрических чертежей. Но при этом построение больших фрагментов кристаллической структуры и кубической сетки оказывается весьма трудоёмким и долгим процессом. К тому же, программа не содержит возможностей, позволяющих выполнить расчёты. Соответственно GeoGebra не удовлетворяет критериям № 3-7.

Scilab – пакет прикладных математических программ, предоставляющий открытое окружение для инженерных, технических и научных расчётов, представляющий собой свободный аналог пакета MatLab [14]. Данная программа хорошо документирована, имеет удобный, хорошо продуманный интерфейс и работает стабильно. Так же данный пакет программ содержит инструменты для 2D и 3D визуализации. Scilab позволяет создать требуемые модели структур, но во-первых, для визуализации полученных моделей отсутствует подходящий встроенный инструмент, значит для отображения моделей придётся писать специальный алгоритм на встроенном языке данной системы, во-вторых, построение моделей в этом пакете так же придётся программировать на встроенном языке. Таким образом по-сути, использование пакета SciLab приводит к необходимости разрабатывать специальное программное обеспечение. То же относится и к другим математическим пакетам.

В ходе анализа были рассмотрены некоторые другие специализированные и не специализированные программные продукты, но они обладали теми же недостатками, что и программы, описанные выше.

Анализ существующего программного обеспечения показал, что среди всего многообразия рассмотренных инструментов, есть несколько, которые могут быть использованы для решения задачи о проверке применимости методов Сычёва М.С. [5]:

1. Blender и Autodesk 3d Max – данные программные продукты обладают избыточными возможностями по отношению к поставленной задаче; их использование потребует специальной подготовки; для решения поставленной задачи придётся разрабатывать соответствующие алгоритмы на языках программирования, поддерживаемых данными программными продуктами;
2. математические пакеты — не содержат специальных средств, что означает необходимость разработки алгоритмов, выполняющих все необходимые для решения поставленной задачи действия, на встроенном языке программирования выбранного пакета.

Таким образом можно сделать вывод, что предположение об отсутствии подходящих готовых инструментов в силу специфичности поставленной задачи и выбранных критериев подтвердилось: необходимо создать специальное программное обеспечение, предназначенное для проверки применимости методов из работы [3, с. 33–54; 57–83] и удовлетворяющее сформулированным критериям. Такое программное обеспечение может быть создано как часть программ Blender и Autodesk 3d Max или в качестве программы для одного из математических пакетов, или в качестве отдельной самостоятельной прикладной программы.

Список литературы:

1. Ерёмин И.Е. Моделирование коэффициента компактности кристаллической решетки кристобалита [Текст] / И.Е. Ерёмин, А.А. Остапенко, М.С. Сычёв // В мире научных открытий. – 2015. – № 2. – С. 410–424.
2. КОМПАС-3D V16. Инструмент со3Dателя – официальный сайт САПР КОМПАС – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kompas.ru/. – (Дата обращения: 13.07.2016).
3. Сычёв М.С. Моделирование структурных параметров кубических кристаллических решёток. [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.13.18: защищена 22.05.2015 / Сычёв Михаил Сергеевич. – Благовещенск, 2015. – 130.
4. Сычёв М.С. Численный расчет компактности простых кубических решеток [Текст] / М.С. Сычёв, А.А. Горевой // В мире научных открытий. – 2013. – № 2. – С. 86–101.
5. Фомин Д.В. Расширение применимости метода компактного матричного описания кристаллических структур М.С. Сычёва [Текст] / Д.В. Фомин // Интерактивная наука. – 2016. – № 8.
6. 3ds Max – Программа для 3D моделирования и визуализации – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.autodesk.ru/products/3ds-max/. – (Дата обращения: 23.07.2016).
7. Avogadro – Free cross-platform molecule editor – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://avogadro.cc. – (Дата обращения: 1.08.2016).
8. Crystal Studio: Crystallography Software for Crystal and Molecular Structures – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.crystalsoftcorp.com. – (Дата обращения: 23.08.2016).
9. CrystalMaker Software: Crystal & Molecular Structures Modelling and Diffraction – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.crystalmaker.com/index.html. – (Дата обращения: 21.08.2016).
10. CrystalMaker: Interactive Crystal & Molecular Modeling – [Электронный ресурс]: руководство пользователя. — Режим доступа: справочная система программы CrystalMaker. – (Дата обращения: 21.08.2016).
11. Dolomanov O.V. OLEX2: A complete structure solution, refinement and analysis program [Текст] / O.V. Dolomanov [и др.] // J. Appl. Cryst. – 2009. – № 42. – С. 339–341.
12. GEOGEBRA – графический калькулятор для функций, геометрии, статистики и 3D геометрии – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.geogebra.org/. – (Дата обращения: 26.08.2016).
13. Home of the Blender project – Free and Open 3D Creation Sofrware – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.blender.org/. – (Дата обращения: 25.08.2016).
14. Home-Scilab – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.scilab.org/. – (Дата обращения: 28.08.2016).
15. Marcus D.H. Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform [Текст] / D.H. Marcus [и др.] // Journal of Cheminformatics. – 2012. – № 4. – С. 1–17.
16. Olex Crystallographic Software & Services – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.olexsys.org/. – (Дата обращения: 20.08.2016).