袁優(yōu)

摘 要：利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)輔助材料科學(xué)研究可幫助科學(xué)工作者更好地展示自己的科研成果，讓一些深刻的知識(shí)科研形象地表現(xiàn)出來便于理解。本文利用3D max中一些簡(jiǎn)單的建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空心球殼、小球組大球、六角碳骨架等結(jié)構(gòu)，是科研工作中十分常用的圖形。這些方法不僅僅使用于構(gòu)筑以上一些結(jié)構(gòu)，還可以移植到類似的結(jié)構(gòu)或幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合的情況，具有廣泛的通用性。這將有利于推進(jìn)計(jì)算機(jī)建模技術(shù)在構(gòu)建納米材料微觀形貌模型中的更多應(yīng)用。

1 引言

材料學(xué)是一門豐富且具體的學(xué)科，關(guān)于材料的微觀形貌表征也是其中一塊很重要的部分，這可以為探索其性質(zhì)提供一些指導(dǎo)。常見的微觀形貌表征方法有光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等，這些手段已經(jīng)可以較好地展現(xiàn)出材料的微觀形貌。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，更加具體形象的圖形構(gòu)建技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，使得采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪制各種奇異的微觀形貌成為可能。

目前在各類學(xué)術(shù)論文中，通過繪制微觀形貌來展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程或合成產(chǎn)物是一種有效地表現(xiàn)手段。一些雙層或者中空結(jié)構(gòu)，利用這種3D建模的方法可以獲得很好的呈現(xiàn)效果。另外，許多管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的納米材料分布情況，也可以采用這種繪制的微觀形貌示意圖來展現(xiàn)，這些為科研工作的迅速向前推進(jìn)提供了一些直觀、豐富的驅(qū)動(dòng)力。

所以，通過利用計(jì)算機(jī)軟件3D max設(shè)計(jì)和構(gòu)建材料的微觀形貌，從而獲得更好的理解，對(duì)于科學(xué)研究的進(jìn)步是很有意義的。

2 建模基本方法

三維建模的基本手段很多，在這里，我們主要想利用一些常用的復(fù)合圖形的方法，將3D max中常見的幾何體進(jìn)行加、減及差集、并集等操作。本文想介紹的主要是一些復(fù)合或者含有空缺的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與繪制，如空心球殼，小球組大球，六角碳材料結(jié)構(gòu)等等。利用到的3D max中的一些基本手段包括以下幾個(gè)：

1）布爾運(yùn)算

布爾運(yùn)算是3D max的一種常用工具，用來將兩個(gè)重合的模型去交集、并集或補(bǔ)集，在做模型時(shí)需要挖去或接上一部分的時(shí)候一般都用布爾運(yùn)算。

2）散布

這一功能能夠?qū)蓚€(gè)形狀各異的物體（一般是一大一小），進(jìn)行無縫銜接，且小物體可通過幾種不同的方式有規(guī)律地分散在大物體表面。這對(duì)于構(gòu)建點(diǎn)綴式幾何體或者由小物體組建大物體十分有效。

3）陣列

陣列其實(shí)就是讓同一物體或同一組物體在某一方向或某一角度循環(huán)重復(fù)相應(yīng)的次數(shù)，得到一隊(duì)整齊排列的圖形組。這對(duì)于構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模陣列模型十分有效

3 實(shí)例

接下來，本文通過幾個(gè)實(shí)例，來具體闡述，如何利用3D max中的以上方法，來構(gòu)建出不同類型的材料微觀形貌，本論文采用的3D max為2012版的，其他版本的操作思路也都是相似的。

1）空心球殼結(jié)構(gòu)

我們通過布爾運(yùn)算的差集來進(jìn)行繪制空心球，利用的元素都比較簡(jiǎn)單。首先我們需要做一個(gè)球體（中空），大小可以自己把握，如圖3.1。這里值得注意的是，需要使用修改器中的“殼”這一工具，才能實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)外徑的球體，即中空的球體。

接下來，我們利用一個(gè)長(zhǎng)方體，來占據(jù)該球體右上角的八分之一的空間，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)幾何體的有效嵌套，如圖3.2所示。

隨后是最關(guān)鍵的一步，我們需要利用幾何體對(duì)象中的復(fù)合對(duì)象，選取布爾，先選中長(zhǎng)方體，然后拾取球體作為對(duì)象，找到差集運(yùn)算，球體可以實(shí)現(xiàn)幾何上削減去兩個(gè)幾何體重合的部分，如此，則可實(shí)現(xiàn)圖3.3效果，如下圖。這與文獻(xiàn)中的示意圖基本沒有差別了。

2）小球組建大球結(jié)構(gòu)

利用小的顆粒堆成大的幾何形狀是十分有趣的微觀形貌，在材料科學(xué)研究過程時(shí)常出現(xiàn)。這里我們介紹一種比較簡(jiǎn)單的小顆粒組大顆粒的模型的構(gòu)建方法，即小球組建大球的結(jié)構(gòu)。

首先我們先做一個(gè)大球和小球作為基礎(chǔ)，如下圖3.4所示。

接下來，我們利用小球作為散布的基本原子，利用幾何體復(fù)合對(duì)象中的散布命令，拾取大球作為對(duì)象，設(shè)置散布對(duì)象的數(shù)量及模式，將小球隨機(jī)或均勻地分布在大球表面，如下圖3.5。

如此我們即可構(gòu)建出各種各樣小尺寸幾何體組成大尺寸幾何體的圖形，這種方法也適用于構(gòu)建其他類似結(jié)構(gòu)的形貌。

3）六角環(huán)組成的碳結(jié)構(gòu)（如石墨烯，碳納米管等）

碳骨架結(jié)構(gòu)的六角環(huán)蜂窩煤結(jié)構(gòu)，是廣大科研工作者十分欣賞的一種結(jié)構(gòu)，如何將該結(jié)構(gòu)做大做強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)各種熱點(diǎn)形貌（如管狀的碳納米管等）是大家都十分關(guān)心的。

我們采用多邊形繪制基礎(chǔ)的六角環(huán)碳骨架基元，如下圖3.6所示，可需要將多邊形渲染選項(xiàng)中的“在渲染中啟用”及“在視口中啟用”選中，以適當(dāng)調(diào)整六角環(huán)的厚度，使得立體感更強(qiáng)烈。

接下來，我們利用單個(gè)基元的六角環(huán)，通過陣列工具，調(diào)整x，y方向的位移距離及各自陣列重復(fù)的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)二維六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，這也就是我們常說的單層石墨烯的結(jié)構(gòu)，如下圖3.7所示。

當(dāng)然，我們也可以把這個(gè)網(wǎng)絡(luò)卷起來，利用修改器中的彎曲命令，對(duì)整體進(jìn)行指定方向的360°彎曲，則可實(shí)現(xiàn)我們常說的碳納米管結(jié)構(gòu)，如下圖3.8。

4 結(jié)論

本文利用3D max中一些常用的復(fù)合工具，實(shí)現(xiàn)了幾種常見納米材料微觀形貌的模型構(gòu)建，主要有：

1）利用布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)空心球殼結(jié)構(gòu)。

2）利用散布功能實(shí)現(xiàn)小球構(gòu)建大球結(jié)構(gòu)

3）利用整列的方法獲得六角環(huán)網(wǎng)絡(luò)石墨烯結(jié)構(gòu)及進(jìn)一步提升為管狀的六角環(huán)結(jié)構(gòu)。

值得一提的是，這些方法在各種形狀的幾何體操作中均為通用的，可根據(jù)科研工作者自己的需要和納米材料實(shí)際的微觀形貌進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。這是利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)豐富多彩的科學(xué)成果展示的一個(gè)有趣的嘗試。