Доклад на Кристаллографическом конгрессе в секции "Образовательные аспекты в кристаллографии"

1. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
КОМПЬЮТЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ КАК
ИНСТРУМЕНТ В ПРЕПОДАВАНИИ
КРИСТАЛЛОФИЗИКИ.
Ксения Козловская

2. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН
1. 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

3. 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.

4. 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.

5. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН
1. 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

6. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
2. Исторические примеры
научной визуализации
В 5 веке до нашей эры
Пифагорейцы занимались
вычислениями, раскладывая
для наглядности камушки.
Камушки на греческом -
Calculus.

7. 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.

8. 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”

9. 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

10. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
2. Критерии качества визуализации
1. 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.

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

12. 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)

13. 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

14. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН
1. 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

15. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Кэмбридж
www.doitpoms.ac.uk
Разобрано множество тем,
с flesh визуализациями.

16. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Университет Гамбурга
Dr. Frank Hoffmann
https://crystalsymmetry.wordpress.com/
Образовательный блог по
кристаллографии и моделированию
структур в Vesta и ToposPro.

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

18. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
3. Университет Дармштадта
http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/

19. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН
1. 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

20. 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.

21. 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.

22. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование
кристаллических структур
Задача 1.
Восстановление трехмерного
изображения сульфида цинка по
координатам.

23. 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
18
ZnS
Zn 0.000000 0.000000 0.000000
Zn 0.000000 0.000000 5.420000
Zn 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
...

24. 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
3) Строить структуры и связи в программе
Vesta
4) Знакомится с координационными
полиэдрами и алмазоподобными
структурами.

25. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических
структур http://jp-minerals.org/vesta

26. 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

27. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.1 3D моделирование кристаллических структур

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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.

32. 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.

33. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.2 Визуализация средствами
Matlab.
Пример 6.
Визуализация сферических гармоник.

34. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.2 Визуализация
эквипотенциальных
поверхностей
Пример 7.
CPMD (рассчет),
JpMol (построение поверхностей),
Blender (свет, материалы, фактура)

35. 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

36. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
5.3. Моделирование дифракционных картин
1. Визуализация методов и данных
дифракционного структурного анализа.
SOFT
Crystalmaker.com
1) CrystalMaker
2) CrystalDiffract
3) SingleCrystal
Библиотеки
http://crystalmaker.com/library/index.html

37. К.А. Козловская “Научная визуализация в преподавании кристаллофизики” Первый Российский кристаллографический конгресс. 2016
ПЛАН
1. 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

38. 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.

39. 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.

40. 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.