Upload
ksenia-kozlovskaya
View
123
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ В ПРЕПОДАВАНИИ
КРИСТАЛЛОФИЗИКИ.
Ксения Козловская
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН1. Визуализация2. 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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
2. Исторические примеры научной визуализацииВ 5 веке до нашей эры Пифагорейцы занимались вычислениями, раскладывая для наглядности камушки.
Камушки на греческом - Calculus.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
2. Исторические примеры научной визуализации
Декартова координатная плоскость 17 век.
Трехмерный график, построенный в Matlab.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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”
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
2. Современная визуализация в кристаллографии
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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)
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
(с) "Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides"; Weiwei Zhang, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, etc.: Science (2013)
2. Задачи визуализации в кристаллографии
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Кэмбриджwww.doitpoms.ac.uk
Разобрано множество тем,
с flesh визуализациями.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Университет ГамбургаDr. Frank Hoffmannhttps://crystalsymmetry.wordpress.com/Образовательный блог по кристаллографии и моделированию структур в Vesta и ToposPro.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Университет Дармштадтаhttp://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5. Задачи курса
1. Познакомиться с общепринятыми способами визуализации в кристаллографии.
2. Научиться создавать визуализации самостоятельно.3. Через создание визуализаций познакомиться с
законами кристаллофизики.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5. Методы
1. 3D моделирование кристаллических структур.
2. Визуализация средствами Matlab.
3. Моделирование дифракционных картин.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических структурЗадача 1.Восстановление трехмерного изображения сульфида цинка по координатам.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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...
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических структур
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.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических структур http://jp-minerals.org/vesta
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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))
5.1 3D моделирование кристаллических структур
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических структур
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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.
5.1 3D моделирование кристаллических структур
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Построив со студентами 32 группы точечной симметрии, приятно сказать “а на следующем занятии нас ждут 230 пространственных групп” и посмотреть на их лица.
Шутка.
5.1 3D моделирование кристаллических структур
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Пример 3.
На заранее построенной 3D модели кристалла с пространственной группой, например, Fd3m показать где тут d, 3 и m.
5.1 3D моделирование кристаллических структур
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Пример 4.
Построение одномерного и двумерного периодического потенциала
5.2 Визуализация средствами Matlab.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Пример 6.
Визуализация сферических гармоник как колебания на сфере.
(l=7, m=6)
5.2 Визуализация средствами Matlab.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.2 Визуализация средствами Matlab.
Пример 6.
Визуализация сферических гармоник.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.2 Визуализация эквипотенциальных поверхностейПример 7.
CPMD (рассчет), JpMol (построение поверхностей), Blender (свет, материалы, фактура)
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.3. Моделирование дифракционных картин
The mineral epidote, viewed along the [010] direction © SingleCrystal User’s Guide
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.3. Моделирование дифракционных картин1. Визуализация методов и данных
дифракционного структурного анализа. SOFTCrystalmaker.com1) CrystalMaker2) CrystalDiffract3) SingleCrystal
Библиотекиhttp://crystalmaker.com/library/index.html
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
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
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Юлия Манджиева “Изучение взаимодействия
красителя алцианового
синего и геля поли (N-
изопропилакриламид)
(ПНИПА) в водном растворе” - победитель Универсиады-2016
5.2 Итоги планы.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
Юлия Манджиева “Изучение взаимодействия
красителя алцианового
синего и геля поли (N-
изопропилакриламид)
(ПНИПА) в водном растворе” - победитель Универсиады-2016
5.2 Итоги планы.
К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 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”.
5.2 Итоги планы.