晶体模型绘制Diamond3.2

晶体结构立体模型建构软件（Diamond）教程中国海洋大学材料科学与工程研究院晶体结构立体模型建构软件-Diamond的使用在使用Diamond软件构造晶体模型时，需要知道晶体的结构数据，即晶体的空间群、晶胞参数和原子坐标。晶体结构数据可以手动输入，也可以直接从晶体信息文件中获得。我们将通过几个例子来说明软件的使用方法。一、NaCl晶体结构模型的构造下面我们以NaCl为例手动输入晶体结构数据。NaCl晶体的结构数据为：空间群Fm-3m(225)；晶胞参数a=5.64Å；原子坐标Na:4a,Cl:4b。我们将通过这个例子学会如下操作：1、学会手动输入晶体结构数据；2、学会晶体模型的构造；3、学会旋转晶体模型，从不同的角度观察；4、学会改变背景和原子及晶胞的颜色等参数；5、学会以一种原子为中心，另一种原子为配位原子构造配位多面体；6、学会多面体外观的设计。打开软件，界面如下图所示：图1点击“File|New”，出现一对话窗口，如下图，选择第二个选项，按“OK”。图2结果生成一个名字为Diamond1的空白的页面，同时弹出一个名字为NewStructure的对话窗口，点“下一步”，在新弹出的窗口中确认CrystalStructurewithcellandSpacegroup被选中，在Celllength中输入5.64，如下图：图3注意Spacegroup（空间群）后是否我们需要的NaCl晶体的空间群Fm-3m(225)，如果不是，点击Browse按钮，在弹出的对话窗口中选中Fm-3m(225)，即在Fm-3m(225)上点击使其变蓝色，如下图。点“OK”回到前面的对话窗口。图4点“下一步”（在出现的如下图的对话框中可以输入原子坐标，即在“Atomicparameters“中输入相应的元素符号和原子坐标值，但我们将在其他的地方做这个工作）图5点“下一步”，在出现的CompletingthenewstructureAssistant窗口中有三个选项：Startstructurepicture;Launchthestructurepicturecreationassistant;Createstructurepictureautomaticly。选中Startstructurepicture，点击“完成”。出现一个名字为Diamond1Structure1Picture1的窗口，我们准备建造的NaCl晶体模型将在这个窗口中显示。接下来输入原子坐标。点“Structure|AtomicParameters”，在弹出的对话窗口中点“Insert”，在“Element”后的下拉选项中选中Na，（Symbol后输入元素符号，Oxidation后输入元素的价数，S.O.F是原子的位置占有分数，对NaCl晶体中的Na和Cl原子来说都是1，因为都是1，所以也可以不输入），在Position后的下拉选项中选中4a；按“Append”，在“Element”后的下拉选项中选中Cl，在Position后的下拉选项中选中4b，如下图。点“确定”。中心对称图6点“Build|Fill|unitcell”，将出现NaCl晶体一个晶胞的模型。点“Move|Rotatealongx/yaxis”，就可以将模型旋转，从不同的角度观察。但也许你不喜欢背景和原子及晶胞的颜色，Diamond可以让你设置你自己最喜欢的颜色。图7改变背景设置：点“Picture|Layout”，在弹出的窗口中点“Background”，在Background后的下拉选项中选你喜欢的背景颜色，点“确定”退出对话窗口回到Picture1，可以看到背景已经变成了黑色（如果点“Applynow”则不退出对话窗口但可以看到背景已经变成了黑色）。改变原字颜色等设置：点“Picture|AtomDesigns”，在弹出的“AtomGroupDesigns”窗口中选择相应的原子，点“Styleandcolors”，在“Style”后的下拉选项中可以选不同的原子类型，这里我们选“Solid/Empty/Boundaryellipse”，即实心球，在“Fix”下的“Color”后选你喜欢的颜色，这里我们选择Na为红色，Cl为绿色。点“ModelandRadii”，可以改变所选原子的模型“Global/Individual”或“Standard(BallandStick，即球-棍模型”或其他类型，可以选择不同的模型看看有什么变化。在“Radii”下的Radius[Å]forthe“Standard”后输入原子半径的值，点“确定”。改变晶胞颜色等设置：点“Picture|CellEdgesDesign”，在弹出的“CellEdgesDesign”对话窗口中可以设置晶胞的颜色、线形和粗细，还可以通过选中或不选中“Showtheunitcellaxisa,b,c”可以显示不不显示晶胞中的a,b,c轴。如果此时并不知道轴的对应关系，点“Objects|CoordinateSystem”，在弹出的“CoordinateSystem”对话窗口中选中“DisplayCoordinateSystem”，改变颜色和字体，这里我们选择黑色，字体选择默认值。点“OK”。对于NaCl晶体，我们常看到的描述为：Cl-离子形成立方最紧密堆积，Na+离子占据Cl-离子所形成的立方最紧密堆积中所有的八面体空位，每个八面体所有棱都被其他八面体共用。下面我们将建造这样的八面体模型。在前面已经建造的NaCl晶体一个晶胞的模型的基础上，点“Build|Polyhedra|AddPolyhedra”，出现“AddPolyhedra”对话窗口，在“Centralatomgroups”下选中“Na”，即以Na+离子作为配位多面体的中心原子；在“Ligandatomgroups”下选中“Cl”，即以Cl-离子作为配位多面体的配位原子。确认“Fixed”已经被选中，其后面的“Rmin[Å]”和“Rmax[Å]”分别是形成配位多面体时离中心原子周围最近和最远的配位原子的距离（因为配位多面体不总是正多边形），这里取默认值即可。设置这个距离还有另外一种办法，我们将在后面的例子中使用。图8点“Design”，出现“PolyhedraDesign”对话窗口，点“Styleandcolors”可以设置多面体面的颜色、边的颜色、透明度等；点“Others”，“Ligandatomreducing”后面的数值可以使配位原子的半径比形成多面体前设置的值缩小（1）、不变（=1）或增大（1）。点“OK”就得到了我们需要的配位多面体。图9如果我们想只画出一个Na+离子周围的配位离子形成的多面体，点“Move|Notracking”，移动鼠标在目标Na+离子上单击左键，使得该离子被选中，即该离子周围出现一个方框。点“Build|Polyhedra|AddPolyhedra”，出现“AddPolyhedra”对话窗口，此时“Centralatomgroups”下不可选，因为已经选中了中心原子；在“Ligandatomgroups”下选中“Cl”，如下图。图10点“OK”，就会发现只有一个多面体被做出来。但此时该中心离子仍处于选中状态，可以按“Esc”键或在“Move|Notracking”状态下在任何空白的地方单击鼠标左键即可。点“File|Saveas|SaveDocumentas”或“File|Saveas|SaveStructureas”可以将建造的晶体结构模型保存成Diamond3document(*.diamdoc)文件或其他形式的文件，但对Demo版（即演示版）不能保存成此形式。点“File|Saveas|SaveGraphicsas”可以将所做的模型以数种图片文件格式保存，如.bmp、.jpg等格式二、c60晶体结构模型和分子模型的构造通过这个例子我们将学会如下操作：1、从“.CIF”格式文件（晶体信息文件）中获得晶体结构数据；2、利用c60晶体结构数据构造一个c60分子模型；3、“Addatoms”工具的应用；4、通过插入“dummy”原子辅助构造多面体；5、原子间距离的测定；6、学会设置键的线型、颜色和粗细。打开软件，点“File|Open”，找到安装软件的目录，比如“C:\ProgramFiles\Diamond”，打开“Tutorial”文件夹，保证文件类型为“AllFiles(*.*)”或“CIF(*.CIF)”，双击名为“c60”的文件。弹出名为“FileImportAssistant”的窗口，点击“下一步”，在弹出的“FileFormat”窗口中保证File后面为“CrystallographicInformationFile(CIF)”，点击“下一步”，在弹出的“PictureCreation”窗口中Ifthedatasetisacrystal后面下拉选项中选中“Createablankpicture”，点击“下一步”，在弹出的窗口中点“完成”。出现一个“c60S1252286picture1”空白窗口，此时观察右边的“Databrief”窗口，c60的晶体结构数据已经存在了。点“Build|Fill|unitcell”，将出现c60晶体一个晶胞的模型。我们知道，c60是一个由60个c原子形成的分子，下面我们利用c60晶体结构数据得到c60分子。点“Build|ConnectAtoms”，可以看到相邻的c原子都被连接起来，但并没有一个完整的c60分子，点名为“CompleteFragments”的按钮，可以看到晶胞外也出现了原子而且都被连接起来形成了完整的c60分子。从中我们可以看到c60分子堆积成了立方面心结构。（如果看不到连接原子的键，可以点“Picture|BondDesign”，在出现的“BondGroupDesigns”窗口中可以选择“c-c”键的线型、颜色和粗细，如下图）图11我们也可以只建立一个c60分子，方法如下：首先将已经得到的晶体模型删除，得到一个空白图片，或新建一个空白图片。点“Build|Addatoms”，出现名为“Addatoms”的窗口，选中其中任意一个c原子，点“OK”。注意到在空白图片中出现了一个c原子，点名为“CompleteFragments”的按钮，就可以看到c原子都被连接起来的完整的c60分子(也可以在出现一个c原子后，点“Build|CoordinationSpheres”，在出现的“CoordinationSpheres”窗口中点“Applynow”数次，直到完整的c60分子完成)。c60分子是笼形分子，所以我们得到的模型中的键很多，相互交叉，给看清楚原子的位置关系以及各个面之间的关系带来麻烦，如果把每个六边形和五边形封闭起来，对看清楚位置关系非常有帮助，下面我们将把c60笼中的每个六边形和五边形封闭起来。要达到这个目的，我们要做的实际上是构造多面体，但构造多面体需要有中心原子，而在c60笼形分子中并没有中心原子，所以需要我们给加一个。选中c60分子中所有的原子（在“NoTracking”状态下按下鼠标左键拖动即可出现虚线框，松开鼠标后虚线框中的原子即被选中）。点“Structure|InsertAtom”，在出现的“InsertAtom”窗口中显示的是将要被加入原子的名称（默认为“dummy”）和坐标（在所有被选c原子的中心），点“OK”。在c60分子的中心将出现一个原子（可以用已经学过的方法改变它的颜色、大小等）。此时可以用已经学过的方法构造多面体，但你会发现什么模型也没有构造出来，这是因为“Rmax[Å]”的默认值是3，太小了。那么设置成多大才合适呢？可以通过测量来知道。点“Tools|MeasureDistances”，指针将变成带有尺子图案的形状，在“dummy”原子上点击，然后在任一原子上点击，将测得他们的距离为3.6119Å，所以把“Rmax[Å]”的值设得比3.6119大一些就可以了，比如设为4。但是，如果你设计的多面体的“Border”的颜色和面的颜色不同，而且“Weigh