3Dmax中納米材料微觀形貌模型的構建

袁優

摘 要：利用先進的計算機科學技術輔助材料科學研究可幫助科學工作者更好地展示自己的科研成果，讓一些深刻的知識科研形象地表現出來便于理解。本文利用3D max中一些簡單的建模技術，實現了空心球殼、小球組大球、六角碳骨架等結構，是科研工作中十分常用的圖形。這些方法不僅僅使用于構筑以上一些結構，還可以移植到類似的結構或幾種結構進行復合的情況，具有廣泛的通用性。這將有利于推進計算機建模技術在構建納米材料微觀形貌模型中的更多應用。

1 引言

材料學是一門豐富且具體的學科，關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提供一些指導。常見的微觀形貌表征方法有光學顯微鏡、電子顯微鏡等，這些手段已經可以較好地展現出材料的微觀形貌。隨著計算機技術的不斷進步，更加具體形象的圖形構建技術已經得到實現，使得采用計算機進行繪制各種奇異的微觀形貌成為可能。

目前在各類學術論文中，通過繪制微觀形貌來展現實驗流程或合成產物是一種有效地表現手段。一些雙層或者中空結構，利用這種3D建模的方法可以獲得很好的呈現效果。另外，許多管狀結構內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，這些為科研工作的迅速向前推進提供了一些直觀、豐富的驅動力。

所以，通過利用計算機軟件3D max設計和構建材料的微觀形貌，從而獲得更好的理解，對于科學研究的進步是很有意義的。

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合圖形的方法，將3D max中常見的幾何體進行加、減及差集、并集等操作。本文想介紹的主要是一些復合或者含有空缺的結構的設計與繪制，如空心球殼，小球組大球，六角碳材料結構等等。利用到的3D max中的一些基本手段包括以下幾個：

1）布爾運算

布爾運算是3D max的一種常用工具，用來將兩個重合的模型去交集、并集或補集，在做模型時需要挖去或接上一部分的時候一般都用布爾運算。

2）散布

這一功能能夠將兩個形狀各異的物體（一般是一大一小），進行無縫銜接，且小物體可通過幾種不同的方式有規律地分散在大物體表面。這對于構建點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重復相應的次數，得到一隊整齊排列的圖形組。這對于構建微觀結構中的大規模陣列模型十分有效

3 實例

接下來，本文通過幾個實例，來具體闡述，如何利用3D max中的以上方法，來構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）空心球殼結構

我們通過布爾運算的差集來進行繪制空心球，利用的元素都比較簡單。首先我們需要做一個球體（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，才能實現具有內外徑的球體，即中空的球體。

接下來，我們利用一個長方體，來占據該球體右上角的八分之一的空間，實現兩個幾何體的有效嵌套，如圖3.2所示。

隨后是最關鍵的一步，我們需要利用幾何體對象中的復合對象，選取布爾，先選中長方體，然后拾取球體作為對象，找到差集運算，球體可以實現幾何上削減去兩個幾何體重合的部分，如此，則可實現圖3.3效果，如下圖。這與文獻中的示意圖基本沒有差別了。

2）小球組建大球結構

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

首先我們先做一個大球和小球作為基礎，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，利用幾何體復合對象中的散布命令，拾取大球作為對象，設置散布對象的數量及模式，將小球隨機或均勻地分布在大球表面，如下圖3.5。

如此我們即可構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建其他類似結構的形貌。

3）六角環組成的碳結構（如石墨烯，碳納米管等）

碳骨架結構的六角環蜂窩煤結構，是廣大科研工作者十分欣賞的一種結構，如何將該結構做大做強，實現各種熱點形貌（如管狀的碳納米管等）是大家都十分關心的。

我們采用多邊形繪制基礎的六角環碳骨架基元，如下圖3.6所示，可需要將多邊形渲染選項中的“在渲染中啟用”及“在視口中啟用”選中，以適當調整六角環的厚度，使得立體感更強烈。

接下來，我們利用單個基元的六角環，通過陣列工具，調整x，y方向的位移距離及各自陣列重復的數目，實現二維六角環網絡的構建，這也就是我們常說的單層石墨烯的結構，如下圖3.7所示。

當然，我們也可以把這個網絡卷起來，利用修改器中的彎曲命令，對整體進行指定方向的360°彎曲，則可實現我們常說的碳納米管結構，如下圖3.8。

4 結論

本文利用3D max中一些常用的復合工具，實現了幾種常見納米材料微觀形貌的模型構建，主要有：

1）利用布爾運算實現空心球殼結構。

2）利用散布功能實現小球構建大球結構

3）利用整列的方法獲得六角環網絡石墨烯結構及進一步提升為管狀的六角環結構。

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，可根據科研工作者自己的需要和納米材料實際的微觀形貌進行適當調整即可。這是利用計算機建模技術實現豐富多彩的科學成果展示的一個有趣的嘗試。endprint