Моделирование физических процессов методом молекулярной динамики. Учебное пособие

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

Рис. 7.2. Окна просмотра в OVITO

У каждого свойства есть уникальное имя, например «Позиция» или «Потенциальная энергия». OVITO имеет встроенный список часто используемых имен свойств, которые имеют значение для программы и предписанный формат данных, но вы можете определять дополнительные свойства с именами.

Свойство частицы Position является особенным, потому что оно присутствует всегда. Частицы не могут существовать без пространственных координат. Другие стандартные свойства, такие как «Цвет», «Радиус» или «Выделение», не являются обязательными. Они могут присутствовать, а могут и не присутствовать. Если они еще не загружены из импортированного файла моделирования, вы можете добавить их в программу, используя различные функции.

Стандартные свойства, такие как положение, тип частицы и скорость, обычно инициализируются из импортированного файла моделирования. Некоторые форматы файлов, такие как dump LAMMPS, могут хранить произвольное количество дополнительных столбцов данных. Эти вспомогательные атрибуты автоматически сопоставляются с соответствующими свойствами частиц в OVITO.

71

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

Рис. 7.3. Свойства частиц в OVITO

Чтобы узнать, какие свойства в настоящее время связаны с частицами, вы можете открыть панель инспектора данных OVITO. В качестве альтернативы вы можете просто навести курсор мыши на какую-либо частицу в области просмотра, чтобы позволить OVITO отображать значения своих свойств в строке состояния.

На странице частиц инспектора данных отображаются все частицы и значения их свойств в виде таблицы данных. В крайнем левом столбце отображается порядковый номер частиц, который в OVITO начинается с 0. В каждом следующем столбце отображаются значения свойства частицы. Вы можете динамически фильтровать отображаемый список частиц, введя логическое выражение в поле ввода вверху таблицы.

На странице связей инспектора данных отображаются все связи и значения их свойств в виде таблицы данных. Страница появляется только в том случае, если текущий набор данных содержит связи. Свойство связи Топология содержит индексы двух частиц, связанных связью. Эта информация может использоваться для выбора связей, связанных с конкретной частицей.

На странице атрибутов инспектора данных перечислены все значения атрибутов, связанные с текущим набором данных. Глобальные атрибуты – это свойства, которые были прикреплены к набору данных, например, текущий временной шаг моделирования или количество выбранных частиц. Атрибуты могут иметь зависящие от времени значения, которые изменяются со временем анимации, в частности, если они динамически вычисляются конвейером данных для каждого кадра.

Каждый атрибут имеет уникальное имя и текущее значение (числовое или текстовое), которые перечислены в таблице инспектора данных. Некоторые атрибуты, например SourceFile и SourceFrame генерируются источником данных конвейера данных при загрузке входных данных из

72

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

внешнего файла. Другие атрибуты могут динамически генерироваться определенными модификаторами в конвейере данных для отчета о результатах вычислений.

OVITO предоставляет богатый набор функций для изменения свойств частиц. Это так называемые модификаторы.

OVITO предоставляет ряд модификаторов выделения, которые позволяют вам определять набор частиц, соответствующим образом задавая значения свойства Selection. Например, модификатор Select type принимает свойство Particle Type каждой частицы, чтобы решить, выбирать ли эту частицу. Это позволяет вам, например, выбрать все атомы определенного химического типа, а затем выполнить некоторые операции только с этим подмножеством частиц.

Другой типичный модификатор – это модификатор анализа координации. Он вычисляет количество соседей каждой частицы в заданном диапазоне и сохраняет результаты вычислений в новом свойстве частицы с именем Координация. Впоследствии вы можете обращаться к значениям этого свойства, например, для выбора частиц, имеющих координационное число в определенном диапазоне, или для окраски частиц на основе их координационного числа.

OVITO предлагает на выбор обширный набор функциймодификаторов, каждая из которых выполняет определенную задачу, например выбор, анализ или фильтрацию структур частиц. Комбинируя эти базовые строительные блоки и выстраивая их в конвейерную последовательность, вы можете визуализировать или анализировать набор данных моделирования именно так, как вам нужно.

Ключевым преимуществом этого подхода является то, что конвейер данных позволяет задним числом изменять, удалять или исправлять применяемые операции, если это необходимо. Никакие изменения, которые вы вносите в набор данных, не являются постоянными. У вас всегда есть возможность настроить отдельные операции позже, удалить их снова из конвейера или вставить дополнительные операции в любой момент.

Список модификаторов, доступных в OVITO [11]:

• Атомная деформация (Atomic strain) – вычисляет тензоры локальных деформаций на основе относительного движения соседних частиц.

73

7.Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

•Кластерный анализ (Cluster analysis) – декомпозирует систему частиц на кластеры частиц. Кластер определяется как набор связанных частиц, каждая из которых находится в пределах досягаемости других частиц в том же кластере. Таким образом, любые две частицы из одного кластера соединяются непрерывным путем, состоящим из ступеней, которые удовлетворяют выбранному критерию соседства. И наоборот, две частицы будут принадлежать разным кластерам, если нет такого непрерывного пути, соединяющего две частицы на графе соседей.

•Координационный анализ (Coordination analysis) – определяет ко-

личество соседей каждой частицы и вычисляет функцию радиального распределения для системы. Функция радиального парного распределения g(r) определяет вероятность обнаружения частицы на расстоянии r при условии, что частица находится в позиции r=0, т.е. это гистограмма попарных расстояний между частицами. Функция распределения пар нормирована средней плотностью частиц (т.е. общим числом частиц, деленным на объем ячейки моделирования).

•Анализ дислокации (Dislocation analysis, DXA) – идентифицирует дислокационные дефекты в кристалле. Этот модификатор анализа идентифицирует все дефекты линий дислокации в атомистическом кристалле, определяет их векторы Бюргерса и выводит линейное представление дислокаций.

•Векторы смещения (Displacement vectors) – вычисляет смещения частиц на основе исходной и деформированной конфигурации. Вектор смещения частицы вычисляется путем вычитания ее исходного положения из текущего положения.

•Расчет упругой деформации (Elastic strain calculation) – рассчиты-

вает тензоры упругих деформаций на атомном уровне в кристаллических системах. Этот модификатор вычисляет тензоры упругой деформации и градиента деформации на атомном уровне в кристаллических системах. Его можно использовать для анализа упругих искажений в кристаллической решетке. Кроме того, он позволяет определять локальную ориентацию кристаллов в поликристаллических системах.

•Сегментация зерна (Grain segmentation) – определяет зеренную структуру поликристаллической микроструктуры путем группирования

74

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

атомов в кристаллические области, имеющие сходную локальную ориентацию решетки.

•Гистограмма (Histogram) – вычисляет гистограмму свойства, взятую для всех частиц, связей или других элементов данных в наборе данных. Кроме того, модификатор позволяет выбрать все элементы данных, которые попадают в указанный интервал значений.

•Диаграмма рассеяния (Scatter plot) – создает диаграмму рассеяния двух свойств. Этот тип графика можно использовать для изучения возможных корреляций между значениями двух свойств. Диаграмма рассеяния состоит из одной точки данных для каждого входного элемента (например, частицы, связи и так далее). Первое свойство определяет X-координаты, а второе свойство – Y-координаты точек. Кроме того, модификатор можно использовать для выбора всех элементов данных, которые попадают в определенный диапазон по оси X или Y.

•Функция пространственной корреляции (Spatial correlation function) – вычисляет пространственную взаимную корреляционную функцию между двумя свойствами частиц.

•Анализ Вороного (Voronoi analysis) – вычисляет координационное число, атомный объем и индекс Вороного для частиц по многогранникам Вороного. Этот модификатор анализа вычисляет мозаику Вороного для области моделирования, принимая положения частиц в качестве центров ячеек Вороного. По умолчанию модификатор анализа выводит две величины для каждой частицы: объем ячейки Вороного для частицы и количество граней ячейки Вороного. Поскольку количество граней равно количеству ближайших соседей частицы, эта величина также называется координационным числом. Модификатор выводит обе величины как новые свойства частиц, что позволяет ссылаться на них в последующих этапах анализа или фильтрации. Помимо этих основных величин, модификатор может вычислить индекс каждой ячейки Вороного, который представляет собой вектор целых чисел, составляющий гистограмму количества ребер на гранях ячейки Вороного. Этот индексный вектор можно рассматривать как характерный признак координационной структуры частицы и топологии многогранника Вороного. Например, структура координации икосаэдра соответствует вектору индекса Вороного (0,0,0,0,12,0,…). Другими

75

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

словами, этот индексный вектор обозначает многогранник ровно с 12 гранями по 5 ребер в каждой.

•Анализ дефектов Вигнера–Зейтца (Wigner–Seitz defect analysis) –

идентифицирует точечные дефекты (вакансии и междоузлия) в кристаллической решетке с помощью так называемого метода ячейки Вигнера– Зейтца. Его можно использовать, например, для подсчета вакансий и междоузлий или для отслеживания их движения через решетку. Метод анализа требует в качестве входных данных две конфигурации атомистической системы: эталонную и смещенную конфигурации. Эталонная конфигурация определяет, где будут располагаться атомы в бездефектном состоянии кристалла. Таким образом, обычно это идеальная кристаллическая решетка, в которой каждый узел занят ровно одним атомом. Анализируется смещенная конфигурация, которая обычно содержит некоторые точечные дефекты, такие как вакансии и междоузлия, которые необходимо идентифицировать.

•Затенение окружающей среды (Ambient occlusion) – выполняет быстрый расчет освещения для затенения частиц в зависимости от степени их перекрытия другими, что может улучшить визуальное восприятие сложных трехмерных структур.

•Назначение цвета (Assign color) – назначает цвет всем выбранным элементам.

•Цветовая кодировка (Color coding) – раскрашивает частицы или связи в зависимости от значения скалярного (непрерывного) свойства.

•Аффинное преобразование (Affine transformation) – применяет к системе аффинное преобразование. Его можно использовать для перемещения, масштабирования, вращения или сдвига частиц, ячейки моделирования и/или других элементов.

•Объединение наборов данных (Combine datasets) – объединяет ча-

стицы и связи из двух отдельных входных файлов в один набор данных. Этот модификатор загружает набор частиц из второго файла и объединяет его с текущим набором данных, чтобы построить систему, в которой оба набора частиц объединены. Если и первичный, и вторичный источники данных содержат несколько кадров моделирования, то модификатор объединяет соответствующие кадры из каждого источника. Для вторичного

76

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

источника данных вам может потребоваться явно указать шаблон имени файла с подстановочными знаками, чтобы OVITO загружал более одного кадра из объединяемой последовательности моделирования. Новые уникальные идентификаторы назначаются добавленным частицам и молекулам из объединенного файла, чтобы гарантировать, что они не конфликтуют ни

содним из существующих идентификаторов в текущем наборе данных.

•Вычисление свойства (Compute property) – присваивает значения свойств частицам или связям в соответствии с заданной пользователем формулой. Определяемая пользователем формула для вычисления значений свойств может включать ссылки на существующие данные для каждой частицы или связи, а также глобальные параметры, такие как размеры блока моделирования или текущее время анимации.

•Удаление выбранных элементов (Delete selected) – удаляет вы-

бранные элементы из визуализации.

•Замораживание свойства (Freeze property) – замораживает значе-

ния свойства динамической частицы в заданное время анимации, чтобы сделать их доступными в другое время. Этот модификатор копирует мгновенные значения свойства частицы из указанного времени анимации во все другие моменты времени. Это в основном исправляет или замораживает значения свойств. Модификатор Freeze Property полезен в ситуациях, когда изменяющаяся информация из разных временных шагов моделирования должна быть сопоставлена друг с другом.

•Загрузка траектории (Load trajectory) –загружает атомные траектории и другие зависящие от времени данные из отдельного файла траектории и объединяет их со статическими данными топологии (например, информацией о типе атома и связях), загруженными из первичного файла данных. Некоторые коды молекулярной динамики используют или записывают отдельные файлы топологии и траектории. Файл топологии обычно служит отправной точкой моделирования и содержит начальные положения атомов и определения статических структур, таких как типы атомов, связи и так далее, которые не меняются на протяжении моделирования. Траектории частиц, вычисленные с помощью кода методом молекулярной динамики, затем записываются в выходной файл, в котором хранятся только зависящие от времени координаты, а иногда и другая изменяющаяся информация, такая как атомные энергии. LAMMPS – это код

77

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

моделирования, который использует файл топологии траектории. LAMMPS использует формат файла данных для входных файлов, которые определяют типы атомов и связи в моделировании, тогда как формат файла dump служит форматом вывода, хранящим вычисленные траектории атомов и другую изменяющуюся во времени информацию.

•Репликация (Replicate) – дублирует частицы и другие элементы данных для визуализации периодических изображений системы.

•Срез (Slice) – pазрезает конструкцию по бесконечной плоскости. Этот модификатор либо удаляет, либо выбирает все элементы на одной стороне бесконечной плоскости сечения. С помощью модификатора может вырезать из конструкции участок заданной толщины.

•Плавная траектория (Smooth Trajectory) – вычисляет усреднен-

ные по времени положения частиц с помощью скользящего окна или генерирует промежуточные субкадры с использованием линейной интерполяции. Этот модификатор снижает вибрации при движении частицы, комбинируя несколько последовательных снимков траектории симуляции или интерполируя между последовательными снимками. Его можно использовать для создания гладкой анимации из относительно грубой последовательности снимков моделирования и уменьшения флуктуаций или тепловых колебаний траекторий частиц.

•Развертка траектории (Unwrap Trajectories) – вычисляет раз-

вернутые координаты частиц для создания непрерывных траекторий на границах периодических ячеек.

•Обертка по периодическим границам (Wrap at periodic boundaries) – складывает частицы, расположенные за пределами области периодического моделирования, обратно. Обертка выполняется только по тем направлениям, для которых включены периодические граничные условия для ячейки моделирования.

•Очистка выбора (Clear selection) – cбрасывает состояние выбора всех элементов.

•Расширение выбора (Expand Selection) – выбирает частицы, которые являются соседями уже выбранных частиц.

•Выбор выражения (Expression Selection) – выбирает частицы и другие элементы на основе заданного пользователем критерия, то есть

78

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

путем ввода логического выражения, которое оценивается модификатором для каждой частицы или связи в системе. Как результат, будут выбраны те элементы, для которых выражение дает ненулевое значение (истина); все остальные элементы, для которых выражение имеет нулевое значение (ложь), не выбираются. Логическое выражение может содержать ссылки на свойства частиц и связей, а также на глобальные величины, например размер ячейки моделирования или текущий номер временного шага. Следовательно, модификатор можно использовать для динамического выбора элементов на основе таких свойств, как положение, тип, энергия и других.

•Ручной выбор (Manual Selection) – позволяет выбирать отдельные частицы или связи с помощью мыши.

•Выбор наоборот (Invert selection) – инвертирует состояние выбора каждого элемента.

•Выбор типа (Select Type) – выбирает все элементы определенного типа, например, все атомы химического соединения.

•Анализ Акленда–Джонса (Ackland–Jones analysis) – определяет общие кристаллические структуры путем анализа распределения углов между связями. Алгоритм Aкленда–Джонса присваивает структурный тип каждой частице, имеющей локальное окружение, которое соответствует одной из известных структур (fcc, bcc, hcp, икосаэдрическая). Модификатор назначает цвет частицам (путем установки свойства частицы Color), чтобы указать их вычисленный структурный тип.

•Параметр центросимметрии (Centrosymmetry Parameter, CSP) –

вычисляет параметр центросимметрии для каждой частицы. В твердотельных системах параметр центросимметрии является полезной мерой локального беспорядка решетки вокруг атома и может использоваться для определения того, является ли атом частью идеальной решетки, локальным дефектом (например, дислокацией или дефектом упаковки) или локальным дефектом на поверхности. Значение параметра центросимметрии атома, имеющего N ближайших соседей (N = 12 для гранецентрированной кубической, N = 8 для объемно-центрированной кубической

решетки), определяется выражением = ∑ =1/2| + +/2|2, здесь и+/2 – два соседних вектора от центрального атома к паре противопо-

ложных соседних атомов. Для узлов решетки в идеальном центросиммет-

79

7. Программа Ovito для визуализации и анализа исследований

ричном кристалле вклады всех соседних пар в этой формуле будут сокра-

щаться, и результирующее значение будет равно нулю. Атомные участки в дефектной кристаллической области, напротив, обычно имеют

нарушенное, нецентросимметричное окружение. В этом случае становится положительным. Используя соответствующий порог, чтобы учесть небольшие возмущения из-за тепловых смещений и упругих деформаций, параметр центросимметрии можно использовать в качестве параметра порядка для фильтрации атомов, которые являются частью дефектов кристалла.

•Анализ общего соседа (Common Neighbour Analysis, CNA) – вы-

полняет анализ общих соседей для определения локальных кристаллических структур. Обычно CNA используется в качестве эффективного метода фильтрации для классификации атомов в кристаллических системах с целью получить точное представление о том, какие атомы связаны с какими фазами, а какие – с дефектами.

•Определение структуры алмаза (Identify diamond structure) – обо-

значает атомы, расположенные в кубической или гексагональной решетке алмаза.

•Сопоставление многогранного шаблона (Polyhedral template matching, PTM) – определяет общие кристаллические структуры с помощью метода PTM и вычисляет локальные ориентации кристаллов. Данный модификатор позволяет идентифицировать локальную кристаллическую структуру простых конденсированных фаз. Подход PTM обещает большую надежность, чем, например, анализ общих соседей (CNA) при сильных тепловых колебаниях и деформациях. Кроме того, он обеспечивает прямой расчет локальной (по атомам) ориентации кристалла, упругой деформации и типа химического упорядочивания.

•Анализ VoroTop (Analysis VoroTop) – определяет локальную структуру частиц, используя топологию многогранников Вороного. Ячейка частицы Вороного – это область пространства более близкая к ней, чем

клюбой другой частице. Топология ячейки Вороного – это способ соединения ее граней и описание порядка расположения соседей частицы. Топология ячейки Вороного может быть полностью описана в векторе целых чисел, который называется вектором Вайнберга. Этот модификатор требует загрузки фильтра, который определяет типы структур и связанные

80