кристаллографический конгресс 2016

К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016

КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ В ПРЕПОДАВАНИИ

КРИСТАЛЛОФИЗИКИ.

Ксения Козловская


ПЛАН1. Визуализация.2. История научной визуализации.3. Визуализация в преподавании.

Мировой опыт.4. Курс визуализации в МГУ.5. Итоги и планы.

© Figure courtesy of Thomas White, Center for Free-Electron Laser Science—CFEL—at DESY


1. Визуализация● Визуализация - то, что делает

невидимое видимым.● С помощью зрения люди

получают от 60 до 90% информации.

● Более 50% нейронов нашего мозга заняты обработкой визуальной информации.

● Мы привыкли думать в цвете и трех измерениях.


1. Визуализация

● Красная область на картинке - нейроны преобразующие сигналы с палочек и колбочек в визуальные образы.

● Половина “синей области” работает с готовыми визуальными образами

● Давайте применим эту “видеокарту” для научных вычислений.


ПЛАН1. Визуализация2. История научной

визуализации.3. Визуализация в преподавании.




2. Исторические примеры научной визуализацииВ 5 веке до нашей эры Пифагорейцы занимались вычислениями, раскладывая для наглядности камушки.

Камушки на греческом - Calculus.


2. Исторические примеры научной визуализации

Декартова координатная плоскость 17 век.

Трехмерный график, построенный в Matlab.


2. Исторические примеры научной визуализации

(1870). “Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов”


2. Millenium Simulation (2005)● Virgo - международная коллабораборация

ученых из Германии, Великобритании, Канады и США под началом института Макса Планка

● Запрограммировали в модель эволюцию более 20 миллионов галактик и черными дырами и квазарами в центре, с учетом темной материи и темной энергии

● Модель отслеживала треки 10 миллиардов частиц распределенных на участке более 2 миллиардов световых лет

● Суперкомпьютер института Маса Планка решал эту задачу в течение месяца

● Модель подтвердила существующие космологические представления.

© http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium


2. Критерии качества визуализации1. Новизна. Хорошая визуализация должна быть не только

эффективной, но и предлагать свежий взгляд на вещи, выводить результаты анализа данных на новый уровень понимания.

2. Информативность. Одна из основных целей визуализации – донести до пользователя необходимую информацию – именно это является залогом принятия правильных решений.

3. Простота. Визуализация не должна быть перегружена лишней информацией, доступ к тем или иным показателям должен осуществляться простым и кратчайшим путем.

4. Эстетика. Слои, линии, формы и цвета играют немаловажную роль в восприятии визуальной информации.


2. Современная визуализация в кристаллографии


2. Задачи визуализации в кристаллографии● Простую кубическую ячейку

можно представить в уме.● Более сложную ячейку можно

описать в виде списка координат, но оперировать с ними непросто - нужно рисовать.

● Следующая задача - построить все связи в ячейке.

● Затем - представить как в такой структуре распределена электронная плотность и магнитные моменты.

(с) "Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides"; Weiwei Zhang, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, etc.: Science (2013)


(с) "Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides"; Weiwei Zhang, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, etc.: Science (2013)

2. Задачи визуализации в кристаллографии


ПЛАН1. Визуализация.2. История научной визуализации.3. Визуализация в

преподавании. Мировой опыт.4. Курс визуализации в МГУ.5. Итоги и планы.



3. Кэмбриджwww.doitpoms.ac.uk

Разобрано множество тем,

с flesh визуализациями.

http://www.doitpoms.ac.uk

http://www.doitpoms.ac.uk


3. Университет ГамбургаDr. Frank Hoffmannhttps://crystalsymmetry.wordpress.com/Образовательный блог по кристаллографии и моделированию структур в Vesta и ToposPro.

https://crystalsymmetry.wordpress.com/

https://crystalsymmetry.wordpress.com/



3. Университет Дармштадтаhttp://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/






5. Задачи курса

1. Познакомиться с общепринятыми способами визуализации в кристаллографии.

2. Научиться создавать визуализации самостоятельно.3. Через создание визуализаций познакомиться с

законами кристаллофизики.


5. Методы

1. 3D моделирование кристаллических структур.

2. Визуализация средствами Matlab.

3. Моделирование дифракционных картин.


5.1 3D моделирование кристаллических структурЗадача 1.Восстановление трехмерного изображения сульфида цинка по координатам.


5.1 3D моделирование кристаллических структур

В процессе решения студент учится:1) Читать проекции кристаллических

структур.2) Записывать координаты в формате .xyz

18ZnSZn 0.000000 0.000000 0.000000Zn 0.000000 0.000000 5.420000Zn 0.000000 5.420000 0.000000 S 1.355000 1.355000 1.355000 S 4.065000 4.065000 1.355000 S 4.065000 1.355000 4.065000 S 1.355000 4.065000 4.065000...



В процессе решения студент учится:1) Читать проекции кристаллических

структур.2) Записывать координаты в формате .xyz3) Строить структуры и связи в программе

Vesta4) Знакомится с координационными

полиэдрами и алмазоподобными структурами.


5.1 3D моделирование кристаллических структур http://jp-minerals.org/vesta


Пример 2.Даны атомы с координатами (0,0,0), (x,0,0), и (x,y,z). Подействовать на них операциями точечной симметрии.

-1 (S2): ( 0, 0, 0) -> (0, 0, 0) ( x, 0, 0) -> (-x, 0, 0) ( x, y, z) -> (-x, -y,- z))





Пример 2.Так студент проходит по всем 32 группам, - наблюдая как меняется число

позиций и у исходного простого базиса “вырастают” все новые “рога”;

- знакомится с правилами записи точечных групп;

- осваивает стереографические проекции.



Построив со студентами 32 группы точечной симметрии, приятно сказать “а на следующем занятии нас ждут 230 пространственных групп” и посмотреть на их лица.

Шутка.



Пример 3.

На заранее построенной 3D модели кристалла с пространственной группой, например, Fd3m показать где тут d, 3 и m.



Пример 4.

Построение одномерного и двумерного периодического потенциала

5.2 Визуализация средствами Matlab.


Пример 6.

Визуализация сферических гармоник как колебания на сфере.

(l=7, m=6)




Пример 6.

Визуализация сферических гармоник.


5.2 Визуализация эквипотенциальных поверхностейПример 7.

CPMD (рассчет), JpMol (построение поверхностей), Blender (свет, материалы, фактура)


5.3. Моделирование дифракционных картин

The mineral epidote, viewed along the [010] direction © SingleCrystal User’s Guide


5.3. Моделирование дифракционных картин1. Визуализация методов и данных

дифракционного структурного анализа. SOFTCrystalmaker.com1) CrystalMaker2) CrystalDiffract3) SingleCrystal

Библиотекиhttp://crystalmaker.com/library/index.html






Юлия Манджиева “Изучение взаимодействия

красителя алцианового

синего и геля поли (N-

изопропилакриламид)

(ПНИПА) в водном растворе” - победитель Универсиады-2016

5.2 Итоги планы.


Юлия Манджиева “Изучение взаимодействия

красителя алцианового

синего и геля поли (N-

изопропилакриламид)

(ПНИПА) в водном растворе” - победитель Универсиады-2016



С учетом международного опыта и на основе современных технологий на физическом факультете МГУ был разработан и прочитан курс “Научная визуализация в физике конденсированного состояния”.


Education

кристаллографический конгресс 2016