一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统及方法

技术领域

本发明涉及材料设计、3D材料结构模型搭建技术领域，尤其涉及一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统及方法。

背景技术

在计算化学、计算材料等领域，搭建准确的结构模型成为研究的第一步，同时也是重要的研究基础。根据研究方向的不同，结构模型的搭建方法各不相同。对于半导体和异质结材料的研究通常需要搭建界面结构；催化剂研究时需要搭建不同的吸附结构来研究基底材料的吸附性能和催化性能；高分子材料则需要专门的搭建方法来建立聚合物模型等。

在材料计算领域，搭建模型分为以下几步：搭建结构、对结构进行设计、导出结构用于计算模拟。搭建好初始结构模型之后，利用掺杂、扩胞、切表面、界面等方式对初始的材料结构模型进行改性设计，最后将新材料结构用于计算模拟中。

现有材料结构模型搭建的缺点是：模型搭建最常用的方法是利用国外的建模软件，如Materials Studio(简称MS)、VESTA等实现，虽然大多软件提供了界面可视化的方法，利于用户实时了解结构的信息，但是众多软件仍需用户下载安装包然后进行安装；安装包也存在文件大、下载慢的特点；当换电脑时必须重新安装软件；一些软件是收费软件，需要购买版权才能使用，也限制了部分人的使用；最重要的是这些模型搭建并非在云端，需要上传、导入、甚至格式转换才能供在云端开展材料计算模拟，非常不便捷。此外，作为非国产的模型搭建软件，一些功能对我国一些领域禁用(如军工)，已造成严重威胁。很多操作方法都是以英文方式展示，不能满足中国人的使用习惯；在实际的模拟计算中，通常需要将多个软件结合实现结构文件的格式转换才能用于计算，这在一定程度上耗费了很多时间，非常不便捷。

因此，提出一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统及方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统及方法，用户只需要登录浏览器即可进行材料结构模型搭建，支持用户将搭建完成的材料结构模型直接导出可用于进行模拟计算的格式，安全、便捷、效率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统，包括：材料结构交互设计模块、结构数据读取模块、材料结构存储中心、建模数据临时存储中心和最终建模数据存储模块；

材料结构交互设计模块，为一个云端在线的结构展示页面，用于材料结构的创建和展示、材料结构的更改操作以及进行结构读取操作并发出结构读取命令；

结构数据读取模块，与材料结构交互设计模块连接，用于接收材料结构交互设计模块发出的结构读取命令，通过读取操作将结构读取命令传输至材料结构存储中心，并将读取命令所需的结构数据传输至材料结构交互设计模块；

材料结构存储中心，与结构数据读取模块连接，用于接收结构数据读取模块传输的结构读取命令，将结构读取命令所需的结构数据传输至结构数据读取模块；

建模数据临时存储中心，与材料结构交互设计模块连接，用于通过建模操作临时数据请求接收材料结构交互设计模块对材料结构的更改操作并对当前操作进行存储；

最终建模数据存储模块，与建模数据临时存储中心连接，用于接收最终的更改操作并进行存储。

上述的系统，可选的，材料结构交互设计模块包括但不限于新建晶体结构和分子结构单元、增加和删除原子单元、替换修改原子种类实现掺杂设计单元、切面结构搭建单元和界面结构搭建。

上述的系统，可选的，材料结构交互设计模块还包括结构模型导出单元，导出格式包括但不限于图片、cif格式。

上述的系统，可选的，读取命令所需的结构数据包括但不限于原子种类、晶格点群信息、原子数、晶格信息、原子坐标和原子电荷。

上述的系统，可选的，材料结构存储中心保存有用户设计的结构模型。

上述的系统，可选的，最终建模数据存储模块，还用于对用户在网页中进行的实时更改操作进行记录保存，并将最终结构数据传输给数据写入模块。

一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模方法，利用上述任一项所述的一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统，包括以下步骤：

S101用户进入材料结构交互设计模块，材料结构模型在材料结构交互设计模块进行创建或展示；

S201在材料结构交互设计模块中进行结构读取请求操作，结构数据读取模块接收结构读取命令；

S301结构数据读取模块通过读取操作将结构读取命令传输至材料结构存储中心；

S401材料结构存储中心接收结构读取命令，将用户所需结构数据传输至结构数据读取模块；

S501材料数据读取模块将用户所需的结构数据传给材料结构交互设计模块；

S601材料结构交互设计模块利用获取的结构数据对材料结构进行创建或更改操作；

S701将材料结构交互设计模块对结构的创建或更改操作通过建模操作临时数据请求传输给建模数据临时存储中心；

S801材料结构创建或更改完成后，由建模数据临时存储中心通过最终建模数据存储请求将最终的更改数据保存到最终建模数据存储模块。

上述的方法，可选的，S101中的材料结构模型在材料结构交互设计模块以3D、二维、零维模式展示。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统及方法：1)本发明的建模方法是基于B-S架构的云操作方法，用户只需要登录浏览器即可进行材料结构模型搭建，具备常用的新建晶体结构和分子结构、新增或者删除原子、替换原子种类、扩展超胞、切表面、搭建界面结构、聚合物搭建、高熵合金模型搭建、溶剂模型搭建等功能，可以帮助用户完成所需的材料设计，达到用户的设计目标；2)除此以外本发明专利支持用户将搭建完成的材料结构模型直接导出可用于进行模拟计算的格式；3)结构搭建完毕，直接开展材料计算模拟，或进一步调控，开展高通量计算筛选。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统结构框图；

图2为本发明提供的一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统的命令流和数据流示意图；

图3为本发明提供的一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明是网页形式的模型搭建软件，不需要用户下载软件，只需要登录浏览器即可；在用户更换电脑时不用重复进行软件安装的操作，帮用户节约时间成本；本发明实现结构模型搭建与计算模拟的无缝对接，当搭建好模型之后不用进行文件格式转换即可进行后续计算，减少不必要的操作，加速材料设计和研发。

参照图1所示，本发明公开了一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统，包括：材料结构交互设计模块、结构数据读取模块、材料结构存储中心、建模数据临时存储中心和最终建模数据存储模块；

材料结构交互设计模块，为一个云端在线的结构展示页面，用于材料结构的创建和展示、材料结构的更改操作以及进行结构读取操作并发出结构读取命令；

结构数据读取模块，与材料结构交互设计模块连接，用于接收材料结构交互设计模块发出的结构读取命令，通过读取操作将结构读取命令传输至材料结构存储中心，并将读取命令所需的结构数据传输至材料结构交互设计模块；

材料结构存储中心，与结构数据读取模块连接，用于接收结构数据读取模块传输的结构读取命令，将结构读取命令所需的结构数据传输至结构数据读取模块；

建模数据临时存储中心，与材料结构交互设计模块连接，用于通过建模操作临时数据请求接收材料结构交互设计模块对材料结构的更改操作并对当前操作进行存储；

最终建模数据存储模块，与建模数据临时存储中心连接，用于接收最终的更改操作并进行存储。

进一步的，材料结构交互设计模块包括但不限于新建晶体结构和分子结构单元、增加和删除原子单元、替换修改原子种类实现掺杂设计单元、切面结构搭建单元和界面结构搭建。

更进一步的，材料结构交互设计模块还包括结构模型导出单元，导出格式包括但不限于图片、cif格式。

进一步的，读取命令所需的结构数据包括但不限于原子种类、晶格点群信息、原子数、晶格信息、原子坐标和原子电荷。

进一步的，材料结构存储中心保存有用户设计的结构模型。

进一步的，最终建模数据存储模块，还用于对用户在网页中进行的实时更改操作进行记录保存，并将最终结构数据传输给数据写入模块。

具体的，材料结构交互设计模块：一个云端在线的结构展示页面，用户仅通过浏览器在此页面可进行材料结构模型的操作，如：扩超胞、切表面、替换原子进行掺杂改性等，并且能够对结构变化进行实时查看；

结构数据读取模块：将用户在网页上的“结构读取请求”命令传输给数据库存储中心并帮助用户调取数据库中的结构数据使其展示在“材料结构交互设计模块”；

材料结构存储中心：一个数据存储模块，保存用户设计的结构模型；

建模数据临时存储中心：将用户对材料结构模型的最终结果传输给数据库存储中心；

最终建模数据存储模块：对用户在网页中进行的实时更改操作进行记录保存，并将最终结构数据传输给数据写入模块。

参照图2所示，本发明公开了一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统的命令流和数据流的示意图。

参照图3所示，本发明公开了一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模方法，利用上述的一种基于浏览器的材料结构交互可视化建模系统，包括以下步骤：

S101用户进入材料结构交互设计模块，材料结构模型在材料结构交互设计模块进行创建或展示；

S201在材料结构交互设计模块中进行结构读取请求操作，结构数据读取模块接收结构读取命令；

S301结构数据读取模块通过读取操作将结构读取命令传输至材料结构存储中心；

S401材料结构存储中心接收结构读取命令，将用户所需结构数据传输至结构数据读取模块；

S501材料数据读取模块将用户所需的结构数据传给材料结构交互设计模块；

S601材料结构交互设计模块利用获取的结构数据对材料结构进行创建或更改操作；

S701将材料结构交互设计模块对结构的创建或更改操作通过建模操作临时数据请求传输给建模数据临时存储中心；

S801材料结构创建或更改完成后，由建模数据临时存储中心通过最终建模数据存储请求将最终的更改数据保存到最终建模数据存储模块。

进一步的，S101中的材料结构模型在材料结构交互设计模块以3D、二维、零维模式展示。

在一个具体实施例中，其方法具体如下：

步骤1，进入“材料结构交互设计模块”，材料结构交互设计模块是一个在线的可视化3D结构展示页面，所有的材料结构模型在此模块以3D模式展示，可以帮助用户更加直观的对结构进行了解，如能够获取材料结构的点群、晶格常数、键长、键角等信息。在此模块能够利用页面展示的各个功能按钮实现材料结构的改性，“材料结构交互设计模块”中的功能包括：新建晶体结构和分子结构、增加和删除原子、替换修改原子种类实现掺杂设计、切面、界面结构搭建等；如金属材料通过界面中的“替换原子”命令进行掺杂元素的设计获取更高的硬度或者韧性等物理性能；并支持显示控制的设计，如修改材料结构为球棍展示方式、CPK展示方式、点线展示方式等；在“材料结构交互设计模块”支持对结构模型的导出，导出为图片或者cif格式；

步骤2，在“材料结构交互设计模块”中进行“结构读取请求”操作，“材料结构交互设计模块”支持用户新建材料够或者从已有结构中读取进行材料结构的更改，当用户在“材料结构交互设计模块”选择从数据库中读取基础结构时，由“结构数据读取模块”来实现此命令；

步骤3，“材料结构数据读取模块”通过“读取请求”操作传输给“材料结构存储中心”，包含读取结构的原子种类、晶格点群信息、原子数、晶格信息、原子坐标、原子电荷等；

步骤4，“材料结构存储中心”接收到命令后将用户所需数据：原子种类、晶格点群信息、原子数、晶格信息、原子坐标、原子电荷等传输给“结构数据读取模块”；

步骤5，由“材料数据读取模块”将用户所需的结构数据传给“材料结构交互设计模块”；

步骤6，在“材料结构交互设计模块”拿到结构数据(晶格信息、原子种类、原子位置等)后进行材料设计，如增加删除原子、替换原子实现掺杂设计、切表面、搭建表面结构等操作实现对材料结构的更改；

步骤7，将增加删除原子、替换原子实现掺杂设计、切表面、搭建表面结构等等对结构的更改操作“通过建模操作临时数据请求”传输给“建模数据临时存储中心”；

步骤8，材料结构更改完成后，由“建模数据临时存储中心”通过“最终建模数据存储请求”将最终的更改数据保存到“最终建模数据存储模块”。

在一个具体实施例中，具体为用户对合金材料的掺杂建模操作：

对于合金材料的研究员来说，纯金属无法满足某些性能需求，需要对纯金属进行掺杂等结构设计。如取代掺杂是材料改性研究常用的一种手段，通过取代晶体结构中一种或多种元素的某一个或多个位点，研究不同元素/不同掺杂浓度对材料硬度、韧性等物理性质的影响。此时用户就需要在已知晶体信息的前提下进行结构的搭建。取代掺杂是材料改性研究常用的一种手段，通过取代晶体结构中一种或多种元素的某一个或多个位点，研究不同元素/不同掺杂浓度对材料物理性质的影响。MatCloud+平台能够实现指定掺杂浓度模型以及一定掺杂浓度范围内的高通量掺杂模型搭建。用户需要在在浏览器中输入网址http://www.matcloudplus.com，然后在数据库中进入“材料结构交互设计模块”。

对于金属材料的掺杂设计，首先利用“材料结构交互设计模块”中的“从数据库中导入”命令将“结构读取请求”传输给“结构数据读取模块”，再利用“读取请求”将基础材料Fe单胞的晶胞、原子等信息从“材料结构存储中心”经由“结构数据读取模块”最终返回“材料结构交互设计模块”，“材料结构交互设计模块”将拿到的结构进行3D展示，方便用户对结构进行详细的查看和分析，之后用户可以在“材料结构交互设计模块”根据实验或者文献的要求对结构中的原子进行替换，首先在“材料结构交互设计模块”中点击“选择”命令选中需要替换的Fe原子，然后利用“修改原子”命令选择替换为的元素即可完成替换掺杂操作；在对结构进行的修改会实时通过“建模操作临时数据请求”传输给“建模数据临时存储中心”进行数据的临时存储，在完成最后的原子替换后由“建模数据临时存储中心”通过最终建模数据存储请求写入“最终建模数据存储模块”进行结构数据的最终保存。

在另一个具体实施例中，具体为用户对复合材料的界面建模操作：

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在。复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。利用本发明专利可以轻松利用参数即可搭建完成复合材料的界面结构模型。

首先利用“材料结构交互设计模块”中的“从数据库中导入”命令将“结构读取请求”传输给“结构数据读取模块”，再利用“读取请求”将用于组成复合材料的基础材料的晶胞、原子等信息从“材料结构存储中心”经由“结构数据读取模块”最终返回“材料结构交互设计模块”，“材料结构交互设计模块”将拿到的结构进行3D展示，方便用户对结构进行详细的查看和分析，之后用户可以在“材料结构交互设计模块”根据实验或者文献的要求对结构中的原子进行替换，首先在“材料结构交互设计模块”中点击“创建”——“界面结构”设置界面结构的相关参数，如：组分的选择、体积的改变、真空层的大小等；本发明内容不同于传统的界面建模方法，只需要通过“界面结构”这一操作即可完成界面结构的搭建，用于构建复合材料；在对结构进行的修改会实时通过“建模操作临时数据请求”传输给“建模数据临时存储中心”进行数据的临时存储，在完成最后的复合材料的搭建后由“建模数据临时存储中心”通过最终建模数据存储请求写入写入“最终建模数据存储模块”进行结构数据的最终保存。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。