分子点群的计算机三维动画设计与表示
分子图形软件网络教程
DS ViewerProDS ViewerPro 是基于 PC 机硬件平台的显示效果最佳的软件之一，它具有构建、显示、分析和测定分子性质等多种功能：（ 1 ）使用 DS ViewerPro 的绘图工具，用户可在屏幕的工作区内绘制二维分子的骨架，软件内存储了原子的成键化学数据，可进一步构建三维分子结构模型。
DS ViewerPro 可以方便地通过坐标变化构建同分异构体，也可以通过扭角变化构建同分异构体。
构建的分子模型可在三维空间中任意旋转、平移、缩放，可方便地从任何角度观看分子模型的全部或局部。
用户还可以根据自己的意愿对原子和化学键进行着色或标定，以增强显示效果。
（ 2 ）具有多种分子结构的显示模式：线形、棒型、球棒、比例球棒、电子云空间填充、多面体等。
DS ViewerPro 提供了蛋白质、 DNA 等生物大分子的带状显示模式，它还可显示晶胞和分子表面图形，除了显示有机分子模型外，对于许多聚合物材料和无机材料也有特殊的显示模式。
（ 3 ）分子中不同化学键和原子可以通过不同颜色和大小进行区分，显示顔色丰富多彩，显示效果良好。
用户可任意调整显示质量和打印质量，高质量的显示和打印明显地增加了图形外沿的平滑，可以方便地将高分辨率的分子结构图形进行排版和印刷。
（ 4 ）用户可以将分子的结构性质参数拷贝到 Excel 兼容的电子表格，也可以将分子模型直接拷贝并嵌入到Microsoft Office 文件中。
在 Office 文件中，通过双击这些嵌入分子图形，可调用 DS ViewerPro 程序，直接进行编辑处理。
（ 5 ） DS ViewerPro 带有较强的计算功能，可方便地进行分子结构几何参数测定，显示出键长、键角、二面角、非键距离和其他立体化学信息，这些数据会随着分子结构的变动和调整进行动态地修改。
DS ViewerPro 可提供两个窗口，以纵向平铺方式显示结构层次窗口和 3D 窗口。
（ 6 ） DS ViewerPro 可以读入多种分子图形软件的格式文件，它可以将 ISIS/Draw 绘制的二维结构的格式文件自动转换成三维分子结构模型，还可以读入晶体衍射数据。
小分子的3d结构计算
小分子的3d结构计算小分子的3D结构计算是分子模拟领域中的一个重要研究方向。
通过计算分子的3D结构，可以了解分子的立体构型、几何结构和电子分布，从而揭示分子的物理性质、化学性质和反应机理。
下面将从分子构型计算方法和常用的计算软件两个方面展开论述。
一、分子构型计算方法1.经典力场方法：经典力场方法是用势能函数来描述原子之间相互作用力的计算方法。
一般而言，经典力场包括键长、键角、二面角、非键相互作用等多个参量，代表分子中不同原子之间的相互作用。
根据这些参量的数值，可以预测分子的3D结构。
常用的经典力场有Amber、CHARMM、OPLS等。
2.密度泛函理论（DFT）方法：密度泛函理论是用基态电子密度来描述分子的方法。
DFT方法通过求解Kohn-Sham方程来计算分子的3D结构。
DFT方法能够考虑电子相关性，对于具有大量电子的复杂体系较为适用。
常用的DFT方法有B3LYP、PBE、TPSS等。
3.分子力学方法：分子力学方法是借助于经典力场来计算分子的3D结构的方法。
这种方法主要用于小分子的力学性质的计算，例如分子的振动频率、热力学性质等。
常用的分子力学方法有分子动力学模拟（MD）和Monte Carlo模拟。
二、常用的计算软件1. Gaussian：Gaussian是一款强大的计算化学软件包，可以进行从分子构型优化到能量计算、频率分析等多种计算。
Gaussian中可以使用不同的力场方法和基组，对小分子进行3D结构计算。
2. GAMESS：GAMESS也是一个常用的计算化学软件，可以进行密度泛函理论计算、定量构效关系分析等。
GAMESS具有丰富的功能和灵活的设置，适用于大多数分子的3D结构计算。
3. Amber：Amber是一个专门用于生物分子模拟的软件包，它采用经典力场方法进行分子的3D结构计算。
Amber常用于蛋白质、核酸和糖类等生物大分子的模拟。
总结起来，小分子的3D结构计算可以通过经典力场方法、密度泛函理论方法和分子力学方法等进行。
Chem3D可视化在“有机分子空间结构”教学中的应用
2020·10“有机分子空间结构”是人们从微观角度认识物质世界和学生建立“结构决定性质”的重要知识载体。
Chem3D软件具有强大的“可视化”功能，它绘制出的可360度旋转的三维立体分子空间模型，可以帮助学生建立有机分子中原子共面、共线性判断思维的认知模型。
借助Chem3D软件进行“有机分子空间结构”的学习，学生的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养得到潜移默化的培养。
摘要关键词可视化；Chem3D软件；有机分子空间结构；核心素养Chem3D可视化在“有机分子空间结构”教学中的应用范爱玉（福州第十八中学，福建福州350001）“有机分子空间结构”是人们从微观角度认识物质世界和学生建立“结构决定性质”的重要知识载体。
分子空间构型是微观的，无法进行直观教学，为了更好引导学生认识、探索分子空间构型，我们引入“可视化”理念为主导的教学模式。
“可视化”来自英文“Visualization”，近几年随着可视化研究领域的蓬勃发展，相继出现“知识可视化”“数据可视化”“信息可视化”“思维可视化”等研究方向。
教育教学中可借助计算机技术中的可视化技术将部分文本信息转化为视觉信息，以提高学生学习效率及学生空间想象能力。
“可视化”教学的实现，需要课堂教学与信息技术优化融合与创新。
Chem3D软件可提供多种可视化功能，方便中学教学展示，具体包括如下几个方面：（1）软件中含有丰富的结构模型资源，可自动切换多种三维构型；（2）实现360°三维立体动画展示分子结构；（3）实现单个碳碳单键360°旋转；（4）可定量测定分子中相邻原子间键角及二面角，通过数据准确判断各原子是否共面或共线。
Chem3D软件的3D优化功能将抽象的分子空间构象具体化，结合动态效果，完美地表现出分子模型的三维立体可视化空间构型，在有机分子空间结构教学上可起到事半功倍的效果。
［1］为此，笔者在高三“有机分子空间结构”关于原子共面、共线性分析的专题复习教学中借助Chem3D软件进行信息技术融合下的“可视化”教学尝试。
计算机三维动画(一)资料
计算机三维动画（一）课程名称：计算机三维动画英文名称：Computer Three-Dimensional Animation设置形式：非独立设课课程模块：专业核心课实验课性质：专业基础实验课程编号：501869课程负责人：徐连荣大纲主撰人：徐连荣大纲审核人：李焕勤一、学时、学分课程总学时：56实验学时：32课程学分：4二、适用专业及年级教育技术三年级三、课程目标与基本要求掌握Maya的应用，熟练应用Maya软件关于图像及动画的构思和制作方法，并且学会制作简单的三维动画及事物模型建造等设计的方法，熟练掌握Maya的应用。
要求学生可以利用Maya软件构建事物模型，并可以合成形成完整的动画效果。
四、主要仪器设备计算机考核方式：1、实验平时成绩：（1）实验考勤：每次考勤分出勤（2分）；请假、迟到、早退（1分）；旷课（0分）记分。
（2）预习报告：要求写明实验目的、主要实验设备名称、实验原理和内容。
分优秀（4分）、良好（3分）、中等（2分）、及格（1分）和不及格（0分）记分。
（3）实验报告：要求写明实验设备名称和型号、实验步骤、实验分析及注意事项。
分优秀（4分）、良好（3分）、中等（2分）、及格（1分）和不及格（0分）记分。
实验平时成绩最后折算成100分。
2、平时作业：根据作品评定成绩，满分为100分。
成绩评定：总实验成绩占本课程成绩的50%。
总实验成绩=实验平时成绩×20%+平时作业×80%。
七、实验教科书、参考书1．实验教科书三维动画专业教程，周进著，高等教育出版社，2006.22．实验参考书(1)Maya三维动画基础与实例教程, 刘坤,彭冬梅编著济南：山东美术出版社，2006(2)Maya应用从入门到精通, 尹武松编著, 北京：兵器工业出版社：北京科海电子出版社，2006(3)Maya初级动画, (美)山特·玛莉亚著，王嬙译成都：四川美术出版社，2006(4)Maya多边形建模基础，杨迈编著，杭州：浙江大学出版社，2006(5)。
分子点群
手性有机化合物的合成方法主要有4种: （1）旋光拆分,（2）用 光学活性化合物作为合成起始物,（3）使用手性辅助剂,（4）使用手 性催化剂. 一个好的手性催化剂分子可产生10万个手性产物. 21世纪的第一个诺贝尔化学奖授予威廉· S· 诺尔斯、野依良治、 K· 巴里· 夏普莱斯, 就是表彰他们在手性催化反应方面的贡献.
Td群
若一个四面体骨架的分子，存在4个C3 轴，3个C2轴，同时每个C2轴还处在两个互相 垂直的平面σd的交线上，这两个平面还平分另 外2个C2轴（共有6个这样的平面）则该分子 属Td对称性。对称操作为｛E，3C2，8C3， 6S4，6σd｝共有24阶。这样的分子很多。 四面体CH4、CCl4对称性属Td群，一些含 氧酸根SO42-、PO43-等亦是。在CH4分子中， 每个C-H键方向存在1个C3轴，2个氢原子连线 中点与中心C原子间是 轴，还有6个σd平面。
3、分子点群的确定
First
确定分子是否属于连续点群—— Cv , Dh 。首先着 眼于分子是否是直线型的；如果是，再看他是否 有对称中心，如果有（如 CO2 ）则分子属于D h 群； 如果没有中心（如HCN ）则分子属于Cv 群。
确定分子是否具有大于2的多重旋转轴。若分子具 有这种旋转轴（如4个三重轴），则属立方群。其 中四面体构型的属于 Td 群；八面体构型的属于 Oh 群。如果在分子中除恒等元素之外，只有一个对 称面的属于Cs 群；只有一对称中心的属C i 群；什 么对称元素都没有的属 C1 群 确定分子是否具有象转轴 S（ n n为偶数），如果只存 在 S n 轴而别无其他对称元素，这时分子属于假轴向 群类的S n 群。
DNA的双螺旋结构
药物分子的不对称合成
对称性破缺在生命科学中产生了极为深远的影响，因为构成生命 的重要物质如蛋白质和核酸等都是由手性分子缩合而成，生物体中 进行的化学反应也受到这些分子构型的影响. 药物分子若有手性中心， 则对映异构体对人体可能会有完全不同的作用，许多药物的有效成 份只有左旋异构体有活性, 右旋异构体无效甚至有毒副作用。例如， 早期用于减轻妇女妊娠反应的药物酞胺哌啶酮因未能将R构型对映体 分离出去而导致许多胎儿畸形. 类似的情况还有很多，仅举几例, 它 们的有效对映体和另一对映体的构型与作用如下：
利用ChemOffice 2004绘制有机分子的2D和3D结构
利用ChemOffice 2004绘制有机分子的2D和3D结构赖寒;陈宣;侯礼
【期刊名称】《重庆第二师范学院学报》
【年(卷),期】2004(017)006
【摘要】本文介绍了Cambridge Soft公司的最新化学专业基础软件ChemOffice2004,应用ChemDraw、Chen3D软件对有机分子的2D、3D图形的绘制,提供了几种有机分子3D的动画制作方法.
【总页数】4页(P23-26)
【作者】赖寒;陈宣;侯礼
【作者单位】重庆教育学院生命科学与化学系,重庆,400067;重庆教育学院生命科学与化学系,重庆,400067;重庆巴南区公平中学,重庆,401346
【正文语种】中文
【中图分类】TP319
【相关文献】
1.含尖灭地层的地质剖面图自动生成与2D/3D绘制 [J], 王家伟;郭甲腾;张荣兵
2.基于ChemOffice的有机分子模型素材库的建设与实践 [J], 李琳;杨宝华;张爱华;张学东
3.“有机分子结构”专题复习微型设计——利用3D动画解决有机分子中原子“共线面”问题初探 [J], 陈锡刚
4.利用2D射影变换求解空间复杂结构的3D不变量 [J], 刘方;王润生
5.衣领纸型设计3D-2D转换的原理与方法——衣领结构数学模型和3D-2D转换的原理研究 [J], 张文斌;吴宇
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Blender中的分子动力学与粒子模拟教程
Blender中的分子动力学与粒子模拟教程Blender是一款功能强大的3D建模和动画软件，它不仅可以创建逼真的场景和角色，还可以进行分子动力学和粒子模拟。
在本教程中，我们将重点介绍Blender中的分子动力学和粒子模拟的基本知识与技巧。
1. 分子动力学分子动力学是一种模拟分子运动的方法，通过计算分子中每个原子的位置、速度和相互作用力，可以模拟分子的结构和行为。
在Blender 中，我们可以使用内置的分子动力学引擎来进行分子模拟。
首先，我们需要在场景中创建一个分子模型。
我们可以使用Blender的3D建模工具来创建分子的结构，也可以导入已有的分子模型。
接下来，我们需要将分子模型转换为粒子系统。
选择分子模型，然后转换为粒子，选择"Physics"选项，将粒子类型设置为"Molecular"。
在"Molecular"选项中，我们可以设置分子的质量、力场和碰撞参数。
通过调整这些参数，我们可以控制分子的行为。
例如，增加分子的质量会使其移动速度变慢，增加力场参数会增加分子之间的相互作用力。
完成设置后，我们可以点击"Play"按钮来进行分子动力学模拟。
Blender会根据设定的参数计算分子的运动轨迹，并显示在3D视图中。
我们还可以通过调整时间轴来观察不同时间点的分子结构。
2. 粒子模拟除了分子动力学，Blender还提供了强大的粒子模拟功能。
通过粒子模拟，我们可以模拟各种物理效果，如火焰、烟雾、液体等。
要使用粒子模拟，我们需要创建一个发射器对象和一个接收器对象。
发射器对象用于发射粒子，接收器对象用于接收粒子并显示效果。
首先，我们创建一个发射器对象。
选择一个对象，在属性窗口中选择"Physics"选项，将粒子类型设置为"Emitter"。
然后，我们可以调整发射器的参数，如发射速度、发射角度等。
“有机分子结构”专题复习微型设计——利用3D动画解决有机分子中原子“共线面”问题初探
【 动画演 示】 演示说明： 学生在完成上述活动时。 可对
（ １Ｐ ｗ ｒｏ ｔ 图 ）ｏ ｅ ｉ 文件 中图形 进 行 静 态对 比和 分 析 。 Ｐｎ 并通 过 图形 超级 链接 转／． ｅ ｓｅ ｈ Ｃ ／ Ｄ Ｘ ｈｍ ｋｔ 或Ａ Ｄ ３ ￣旋转 演示 。 Ｃ ｃ 建 议 在Ａ Ｄ ３ 中进行 演示 时 ． 先用手 动旋 转 演示功 能 Ｃ／Ｄ 可 （ 接拖 动 图形 即可 ， 果图分 别 为 图１ １ 。 生对 有 直 效 — ）让学 关 分 子结 构 进行 观 察 并 由学 生进 行 表 述
维普资讯
课 程 整 合
— — — — — — 一
Ｉ 小结】 甲烷的正四面体结构 ｉ 乙烯的平面型结构 乙
炔 的 直线 型 结构 。
【 解ｌ 讲 由甲烷球棍模型 （ ） 图２进一步分析 ， 当甲烷分
子 中 的某 个氢 原 子 被 其他 原 子或 原 子 团取 代 时 可将 则 取 代 基 团看作 是 占据 了原 来氢 原 子 的位 置 即仍 看作 为 四面 体结 构 （ ３ 。 图 ）
■ 誓■
基 本空 间 构 型 ：
◇ 掌握 甲烷 （ 烃 ） 乙烯 环 、 烷 、 苯 乙炔 等 有机 分 子 的 ◇ 能分 析 和 归纳 上 述 基本 构 型 的组 合 类 型 ：
◇ 培 养学 生 空 间想 像及 三维 构 图 能 力 。
■ ■■＿
的直 线 型结 构 。
图ｌ
同可析 （ ）（ ） 理分， 、∞ 、 萘 蒽 联 苯
（ ＝ 《 — ） 共面情况。 的
—
【ｌｌ ￣ ｍ ］ ｉ ｌ ｉ 例题２关于烃Ａ ｌ ｌ 、 分
ＣＨ ３
Ｊ９ 下 的 列
１
Chem3D使用教程
Chem3D介绍•chem3D是一个三维分子结构演示软件•提供功能制作结构：立体旋转；读取chemDraw结构；进行结构优化计算进行量化结构；并和数种量子化学软件结合在一起。
1主界面Chem3D起始界面23工具栏模型窗口模型类型三维视图ChemDraw 切换图标工具栏模型数据窗口扩大（缩小）窗口消息窗口状态栏选择轨迹球大小调整单键双键三键虚键文本橡皮4显示设置5视频设置模型显示设置立体显示弹出信息配体显示结构显示原子标记原子显示色彩选项6显示设置属性Model Type线状模型棒状模型球棍模型圆柱键模型比例模型7带状模型89结构不同显示方式View/Setting/Model Dispaly 菜单或F6键：五种Wire Frame Sticks Ball-Sticks Cylindrical BondsSpace Filling带状模型常用于生物分子10代表用红蓝两种色彩的立体显示代表用深色显示模型，就是对于模型的部分按观察者的角度不同着色代表显示两个立体结构完全相同的模型代表模拟现实的角度观察模型，使模型更接近真实代表显示模型的时候将后面的部分以阴影形式表示，这样模型的立体感更强。
111213选择【单键】工具，在模型窗口向右按动圆柱键模型1. 利用键工具建立模型建立3D 模型线状模型14棒状模型15球棍模型16比例模型1718选择【轨迹球】工具，使分子模型在模型窗口沿X 、Y 轴旋转 X 、Y 轴旋转指示19选择【轨迹球】工具并按“Alt”键，使分子模型在模型窗口沿Z 轴旋转 Z 轴旋转指示光标位于原子上，自动显示原子信息模型结构信息20工具栏显示原子的符号和标号21光标位于键上，自动显示键信息模型结构信息22显示键长变化显示键角变化显示二面角显示所有没有相邻的原子的距离模型的进一步信息23模型的键长数据24模型的键长和键角数据25乙烯模型中的双键信息26键级改动27显示氢及孤对电子28不显示氢及孤对电子的环己烷原子名称及序数29选择工具，双击原子，按顺序改变原子序号3031隐藏或显示其它原子居中移动到色彩调节显示元素符号显示元素编号显示实心球显示点阵表面调整键长破坏键调整键级就近结合添加质心颠倒调整矩阵隐藏所选部分隐藏非选部分显示所有原子显示邻近原子显示背面定义基团32利用【键】工具建立的结构，键角及键长可能不正常，应【整理结构】环己烷的椅式构象332. 利用文本工具建立模型使用【文本】工具输入结构式34按【Enter】自动转化为模型35括号表示支链3637整理结构38简单优化观察分子变化394-甲基-2-戊醇模型40建立1，2-双甲基环戊烷模型4142整理结构4344建立Ibuprofen(布洛芬)模型H 3C CH CH 3CH 2CH COOH CH 345建立十肽菌素模型4647建立十二丙氨酸醇分子模型4849改变显示方式模型类型窗口：50。
用3DS MAX制作物质结构三维动画探索
根据中学化学物质结构的教学需要，结合３ＤＳＭＡＸ软件的特点，我选择了如下知识点设计成动画脚本。
序号
分类
选题
动画设计（要点）
1
原子结构部分
原子的结构
球体经旋转分割开，可见大球体的中心有由几个小球体聚在一起形成的原子核。
电子云的概念
在一小球体周围有云雾状物质，要求云雾状物有明显的动感。
4、材质编辑器的妙用：（１）要想观看物体的内部结构，可利用材质编辑器把物体设置成半透明物体，并设定其发光强度、高光范围等选项，使所得模型晶莹透明。调整透明度参数，还可随时使物体部分或全部显示或隐藏。（２）把材质编辑器中的颜色变化记录为动画并赋予给模型或灯光，用于强调显示结构中的重点部分。（３）利用材质编辑器给模型贴图。如电子的自旋动画若直接让小球自旋，不易观察清楚，若给小球贴上一个不对称图形，其旋转方向就极易观察了。在分子的极性模型中，可给小球贴上代表原子所带电荷种类的“＋”、“－”符号图。我们还可以将贴图贴于背景上，美化界面。
一、用３ＤＳＭＡＸ制作物质结构三维动画的优越性
1、３ＤＳＭＡＸ是一个制作三维动画的专业软件，其功能强大、表现力丰富，利用其强大的功能可模拟中学化学中几乎所有的物质结构及微粒间的各种变化过程。
2、用三维动画模拟微粒的变形、放缩、透明度变化以及展示物质结构中的每一个细节等都是常规模型无法取代的。
3、所制得的动画可渲染成ＡＶＩ动画或ＪＰＧ等格式的图片文件，这些文件有很强的通用性，极易供其它ＣＡＩ课件设计软件调用。
1、用Windows中的媒体播放器播放。
2、用PowerPoint制作课件时，把ＡＶＩ动画插入文档中。
3、用Authorware等多媒体创作软件制作课件时，用图标或函数调用avi动画文件，并可设定播放速度和播放次数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:2001-05-20;修回日期:2001-06-02
基金资助:湖北省高校重点教改项目(编号:98083
)
作者简介:郭丽萍(1960—),女,副教授,研究方向:固体无机化学、计算机在化学中的应用。
分子点群的计算机三维动画设计与表示郭丽萍 陈致伟 李英霞 雷家珩(武汉理工大学应用化学系,湖北 430070)摘要:探讨了采用计算机三维动画和多媒体技术描述分子点群的表达方法。结合实例设计并制作了分子的对称元素及其对称操作以及分子的10种点群的计算机三维动画。软件采用3DMAX215、Photoshop515进行素材制作,
并采用Authorware5进行了组装。关键词:分子的对称性;分子点群;多媒体CAI;大学化学中图法分类号:O641
文献标识码:A
文章编号:100124160(2001)0423692372
TheDesignandExpressionofComputerThree2DimensionalAnimationforMolecularPointGroup
GOULi2ping CHENZhi2wei LIYing2xia LEIJia2heng(DepartmentofApplicationChemistry,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan 430070
)
Abstract:Thedesignandexpressionofcomputerthree2dimensionalanimationforthemolecularpointgroupwerestudied.Thesymmetricelements,symmetricoperation,andtenkindsofmolecularpointgroupscombinedwithtypicalexamplesweredesignedanddisplayedintheformofthethree2dimentionalanimation.3DStudioMAX215,Photoshop515andAuthorware5wereusedfordevelopmenttools.Keywords:molecularsymmetry,molecularpointgroup,multi2midiaCAI,universitychemistry
物质的结构及其对称性是现代化学研究的重要内容[1-3],同时也是物质波谱学的重要基础。本工作应
用计算机多媒体技术,通过设计和建立一系列描述分子对称性的三维动画,展示了分子的对称元素、对称操作、点群等对称性概念,并以一些典型分子为例详细介绍了分子的10种点群,从而弥补了传统教材以平面描述立体图象的不足。同时,作为一个教学课件,将基础化学和结构化学中有关分子结构对称性、对称操作的有关内容按照教学需要制成一个较为完整的计算机辅助教学软件,也是一种较为大胆的尝试。
1 软件创作的基本原则软件设计的总体指导思想是集理论性、知识性、趣味性于一体,充分利用计算机多媒体技术的强大功能,结合实例以优美的造型和绚丽的色彩,生动、形象、流畅的动态方式展现分子的对称元素、对称操作、点群等对称性概念,揭示存在于其中的丰富内涵。一个客观的对称操作要通过正确地动画来表达,关键问题是动画的设计和对称性分子的选择。在动画创作过程中,认真、仔细地考虑了动画的顺序、变换、视角、速度;对称性分子则选择简单的分子,以方便初学者的理解和掌握。为了达到设计目标,我们选用了功能强大3DMAX215[4]制作三维模型、动画;Photoshop515主要用于制作背景图、按钮、图标;Authorware410[5]主要用于组装、处理软件的交互性等。
2 分子对称元素、对称操作的动画设计对称元素、对称操作是构成分子点群的基本要素,它们共有旋转轴与旋转操作、对称中心与反演操作、镜面与反映操作、反轴与旋转反演操作4种类型。在软件素材的制作过程中,根据三维动画的制作程序,我们首先寻找具有一定对称性的分子,然后对该分子进行建模并围绕其对称性进行三维动画的设计,
第18卷 第4期2001年7月28日计算机与应用化学ComputersandAppliedChemistryVol118,No14July,2001
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net最终完成对点群知识的系统描述。211 旋转轴(Cn)与旋转操作(Cmn)以C2轴为例,SO2分子呈“V”型,有一个C2轴。其分子的空间构型常可用球棍模型和比例模型表示。采用球棍模型,按S、O原子半径比例确定模型中S、O原子的相对大小,采用白色的细圆柱表示“S—O”键,长度按键长数值缩放,粗细按模型中S、O大小而定,再用箭头表示C2轴,赋材质使成鲜黄色,颜色尽量相协调。这样既能较好地反映SO2分子的对称性,又使整个SO2分子较美观(如图1)。C
2
轴的旋转操作通过SO2分子模型的旋转C12、C22来完成。
图1 二次对称轴(SO2分子)Fig11 2-foldaxisofsymmetry(SO2molecule)图2 对称中心i(二氯乙烯分子)Fig12 Inversioncenteri(1,22dichloroethylene)
212 对称中心(i)与反演操作(ie)二氯化乙烯具有对称中心,根据其定义,我们先用一个虚拟小球表示其对称中心,并采用灯光闪烁方法加以提示。再由对称中心逐渐向两边对称扩展出化学键与C原子、H原子、Cl原子,这样的表示方法完全符合对称中心反演操作的定义,且直观、易理解(见图2)。213 镜面(σ)与反映操作(σn)点群中的镜面有3种情况:垂直于主轴的镜面σh、通过主轴的镜面σv和通过主轴、平分副轴夹角的镜面σd,因而必须分别表现。以制作σv为例,我们选择了具有σv的H
2O分子。把H2O
分子球棍模型建好
后,加入C2轴及2个σv镜面。为了能透过镜面看清楚整个分子的立体情况,镜面采用半透明的薄膜面表示(如图3)。动画过程先依次闪烁2个σv镜面,然后再显示C2轴(闪烁几下),整个分子与σv面一起围绕C2轴旋转到一个合适的角度后,锁定图像以便能清楚地观察σv两边的镜面对称情况。
图3 对称面σ(H2O分子)Fig13 Reflectionplaneσ(H2Onolecule)图4 反轴I
3(乙烷分子)
Fig14 Rotation2reflectionaxisl3(ethanemolecule)
214 反轴(In)与旋转反演操作(Imn)反轴是旋转轴与对称中心的组合。旋转反演操作动画以具有I3反轴的乙烷分子为例说明,分子一端先绕I3轴旋转120°,再将H原子沿着经过对称中心的一条虚线反演到另一端,这样观察起来完全像反演操作(参见图4)。软件还以CH4分子为例表现了I4轴。为较好地说明其分子的反轴与旋转操作,在分子模型外,配一个辅助立方框,C原子位于立方框的中心,4个H位于立方顶角上。操作先绕I4轴旋转90°后,有一个H原子通过闪烁再消失,再由立方中心向另一端逐渐生成键、H原子,其余3个H原子一起反演完成动画,表征简洁明了。此外,还有映轴(S
n)与旋转反映操作(S1n)。由于反轴(In)和映轴
(Sn)互有联系,互相包含,因此本文只介绍反轴(In)。
3 分子点群的动画设计 分子的点群共有10类[1],它们分别是Cn,Cnv,Cnh,Dn,Dnv,Dnd,Sn和Cni,T,Th和T
d,O和Oh,I
073计算机与应用化学18卷© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net和I
d,
下面分别加以讨论。
311 Cn点群
根据Cn群的定义,它的对称元素只有一个Cn轴。所以在选择建立分子模型时,要严格按定义选定分子。以C3模型为例,我们选用了CH3Cl3分子,分子既不复杂,动画也很简单,只是旋转轴操作。312 Cnh点群
这类点群就是在垂直于Cn轴的方向上有一个镜面σh。以C2h为例,建模采用二氯代乙烯分子(如图5),在设计动画时,先体现C2轴,分子绕C2轴转2次,每次180°,接着表现垂直于C2轴的镜面,在一个
合适角度看镜面σh,并闪烁几次,图像复位,C2轴与镜面σh一起闪烁,体现出C2h。313 Cnv点群
这类点群与Cnh不同之处就是镜面(σv)经过Cn轴,Cn中的n即为σv的个数。建立三卤代甲烷模型如图6所示。动画演示时,根据定义,由分子绕Cn转动,产生n个σv,Cn轴与n个σv一起闪烁数次,以示Cnv点群。
图5 C2h点群(二氯乙烯分子)Fig15 C2hpointgroup(1,22dichloroethylenemolecule)图6 C3v点群(CHX3分子)Fig16 C3vpointgroup(CHX3typemolecule)
314 Dn点群
以D3为例,选用BCl3分子,它属于D3点群。先根据BCl3分子参数建立分子模型(如图7)。加入一个C3轴,3个C2轴及1个镜面,制作动画时,先闪烁3个C2轴,因为Dn是在Cn点群中加入垂直于Cn轴的C2轴,再依次表现C3轴、C2轴,在表现C2轴时,只取其中一个动画表现即可。315 Dnh点群
以D3h为例,根据Dnh定义,选择用环丙烷分子模型来表现(如图8)。建立好环丙烷分子模型后,先把对称元素全部表示出来,1个C3,3个C2,1个σh。第一步进行C2轴的旋转,第二步,回到原位置将1
个C3轴、3个C2轴、1个σh一起闪烁表现。316 Dnd点群
S8分子属于D4d(如图9)。先建S8的模型再设计动画。第一步表现C4轴,第二步出现4个C2轴,以
其中一个C2轴旋转,第三步在2个相邻C2轴之间出现σd,旋转到一个合适位置观察σd,σd与被平分的2
个C2轴一起闪烁。
图7 D3点群(BCl3分子)Fig17 D3pointgroup(BCl3molecule)图8 D3h点群(环丙烷分子)Fig18 D3hpointgroup(cyclopropanemolecule)图9 D4d点群(S8分子)Fig19 D4dpointgroup(S8molecule)
317 Sn和Cni点群
根据这类点群的定义,分子中只包含一个反轴。因而建模选用分子时较难。S4用N(C6H6)2分子模
1734期郭丽萍等:分子点群的计算机三维动画设计与表示© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net