VESTA三維顯示軟件在結構化學晶體結構教學中的應用研究

＊陳瀛 宮斯寧 蘆露華 楊洋 莫海灝

（中國地質大學（武漢）湖北 430000）

當前，迅速發展的計算機技術，使得計算機軟件廣泛地應用在教育教學中。在教育流程中，使用這一技術可以創建更加生動的各類照片以及動畫，學生對學習的興趣可能會大大增加。結構化學是化學研究的重要部分，主要從原子以及分子層面分析物質的結構以及組成。從學生的反饋可知，該課程具有一些難以理解的理論以及結構，因為微觀晶體結構的具有抽象性，提高該課程在教育過程中的難度。

1.在晶體結構教學中VESTA 3D顯示軟件在結構化學晶體中的應用價值

VESTA是“電子以及結構分析的可視化”英文的縮寫，它是一款免費的軟件。可以從網頁直接下載每種操作系統對應的版本，并配有相應的操作手冊。它是用于晶體建模以及顯示的非常強大的工具，功能多種化。例如，電荷密度顯示、晶體結構創建、基本矢量修改以及晶體面標記。同時，VESTA軟件是一款出色且實用的晶體結構軟件，具有科學合理的視覺效果、操作設置、緊湊的尺寸，無需安裝即可使用。在結構化學晶體中應用3D模型構建軟件，可以在顯示終端上建立三維虛擬仿真實驗室。通過安裝超級電池，可以從各個角度觀察每個粒子的協調以及放置規則。通過超胞的構建，可以為多面體、晶胞以及晶格生成連接模式。當應用于教育時，彌補學生在空間上缺乏想象力的不足，并提升學生的抽象思維能力。VESTA軟件當前被許多教育以及科學研究人員引入教育，并取得了很好的效果。

2.使用VESTA軟件辨析等同點、晶胞、晶格等概念

(1)辨別體心立方的氯化銫、金屬鉻

將Cr以及CsCl立方晶體相關信息文件導入VESTA軟件中。通常以eif格式刪除晶胞外的原子，單擊“樣式”“邊界”選項卡，然后設置x、y。如果將Z值設置成2，將獲得表1中所示的兩個晶體的八個晶胞圖。兩者都屬于立方體系，在原子體心具有原子，并且具有十分相似的晶體結構。以體心為體心的金屬鉻以及頂點鉻原子具有相同的幾何環境，并且是等同點的。空間網格是一個以立方體為體心的空間格子。氯化銫包括以身體為體心的銫離子以及頂點體心的氯離子，兩者是不同的，分別具有一組等同點。

表1 對比體心立方的CsCl以及金屬鉻的晶體結構

(2)金剛石的晶體結構辨析

學生熟悉的金剛石的晶體結構，它是一個空間網絡結構，其中四個碳原子與一個碳原子連接并無限延伸，實際上是沿著（111）做立方最緊密堆積而成，但是教學中，很多學生缺乏碳原子類型以及金剛石晶胞的知識，將金剛石晶體對應的信息文件導入VESTA軟件，得到如圖1（a）的結構。顯然，金剛石屬于立方體系。然后旋轉模型，可以看到熟悉的3D網絡結構。在這里，可以復習選擇結構晶格的原理。接下來，將物體對角線上的碳原子設成紅色，然后旋轉以得到圖1（b）的結構。可以看出，在頂點上的碳原子與對角線上的碳原子價鍵的取向有很大的不同。兩個價鍵一個指向左上方，另一個指向右下方。由于價鍵具有不同的取向，兩個碳原子附近具有不同的條件。也就是說，它們具有不同的幾何環境并且并非是等同點。

所以，很輕易地就可以看出金剛石具有兩種類型的碳原子，即立方體的上角以及面心上部碳原子附近的環境（灰色球）是相同的，并且是一組等同點；對角碳原子附近的情況是相同的，這是等同點的另一組。刪除一組碳原子，得到圖1（c），然后將剩余的碳原子設為點，這得到了金剛石晶格結構，即如圖1（d）的垂直體心網格，圖1（e）顯示了晶胞。如圖1（f）所示，上角的C原子以及對角線上的C原子構成一個結構元素。在此示例中，使用VESTA軟件，很容易觀察到金剛石具有“兩種不同的碳原子”位于頂點角以及面部體心，這兩種C原子所在的幾何環境間的不同點。二維平面圖形以及實物的模型由于空間表達的局限性，僅能顯示有限晶胞，無法體現晶胞規則堆積形成完成晶體的特點。特別是最外側晶胞角頂和面心的C原子非單獨原子，而是與相鄰多個晶胞共用，增加了學生理解上的困難。

圖1 金剛石晶體結構

3.以各種方式加深學生對晶體結構的理解

(1)NaCl晶體中的八面體空位理解

NaCl晶體的八面體孔結構當中，所有離子都有6個相互毗鄰的離子，形成一個八面體，形成圖2的立方晶體中最稠密的堆積成分。VESTA的3D圖形顯示了分別由氯離子以及鈉離子以及形成的八面體結構。從圖2中可以看出，鈉離子以及氯離子填充在相互離子提供的八面體的空位當中。3D圖形顯示使學生可以非常直觀地觀察八面體空位，這可以幫助學生學習NaCl晶體的空間組成。

圖2 NaCl晶體中的八面體空位

(2)氟化鈣晶體四面體孔結構

使用VESTA對氟化鈣晶體的四面體空位進行顯示，如圖3所示。可以看到，氟化鈣中的氟離子實際上是填充在鈣離子形成的四面體孔中的間隙。VESTA軟件的使用，可以幫助學生直觀地觀看四面體空位具有的晶體結構。

圖3 氟化鈣晶體的八面體空位結構

(3)金紅石型的二氧化鈦具有的晶體結構

二氧化鈦使用球形緊密堆積方法，可以將晶體結構描述成氧離子，幾乎呈六邊形的緊密堆積，其中鈦離子位于八面體空隙的1/2處，詳情參閱圖4（a）。使用二氧化鈦晶胞會累積氧離子，如圖4（b）所示，使用在8晶胞上配置的VESTA軟件，可以很清晰地觀察到密堆積表面為（100），密堆積方向是a軸方向。氧離子沿a軸方向進行堆積，鈦離子填充至八面體空位的1/2。如圖4（c）顯示，粉紅色面為（100）面。

在VESTA中，可以使用菜單中的[Edit]->[Lattice Plane]將晶面索引添加到晶面。接下來，如圖4（d），將間距轉換為多面體時，晶體結構的基本配體為Ti-0這一八面體結構，并且八面體在一條鏈中位于同一棱上。圖4（d）的方向a為晶胞體心的鏈方向，圖4（d）的方向b為四個角處的鏈方向，它們以相差90°的方向進行排列。由此可見，二氧化鈦晶胞體心的鈦離子以及四個角的鈦離子在配位氧的取向上的角度差是90°。兩個鈦離子的幾何環境是不同的，并且不具有等同點。所以，金紅石型的二氧化鈦是四邊形的原始晶格。僅使用圖4（a）中的晶胞結構，可以輕松地忽略被認為不同的四角鈦以及體心，認為是四方體結構的體心晶格。

圖4 金紅石型的二氧化鈦晶體結構

(4)電化學教學中VESTA軟件的建模以及顯示

在教授電化學材料LiCoO2（鈷酸鋰）時，大多數學生對它的層狀結構，諸如鋰離子、鈷離子以及氧離子的排列很難理解。借助免費的VESTA軟件，可以輕松解決此問題，可以老師以及學生在課上課下可以快速使用該軟件。

首先，使用VESTA軟件創設鈷酸鋰的晶胞結構，詳見圖5（a）。藍色為鈷離子，綠色為鋰離子，紅色為氧離子。從這個角度來看，學生對晶體結構基礎的知識缺乏的，就很難準確地掌握元素的分布情況。

圖5 電化學材料LiCoO2的VESTA操作

其次，點擊“編輯”的“加入”界面，將氧離子以及鋰離子之間的最大距離設置成2.5，詳見圖5（b），然后單擊ok按鈕。此時，顯示圖5（c）顯示的鋰離子與周圍氧離子的化學鍵結構。

接下來，在樣式界面中單擊多面體按鈕，用來顯示多面體的晶胞。可以得到一個八面體結構，其中Li為主體體心，頂點為6個氧離子。也就是說，鋰離子子在鈷酸鋰晶胞的氧層中，并處于八面體交替的體心處。可以對顯示的透明度進行設置，以更清晰地顯示體心的鋰元素。在“對象”->“屬性”->“多面體”->“不透明度”界面中進行設置值的范圍為0到255。實際上，不透明度的隨著設置數值的減小而下降。換句話說，透明度越高，越容易看到體心的元素。圖5（a）為不透明度設置為150時的結構。

最后，重復第二步的操作，將鈷離子以及氧離子之間的最大距離設置為2.5，最后得到圖5（e），清楚地顯示了鈷酸鋰具有的晶體結構。

4.利用VESTA軟件加深對二氧化鋯晶體結構特征的了解

立方二氧化鋯的晶體結構為螢石型，如果將其視為密排結構，則鋯離子以立方密排結構排列，氧離子均為四面體空位，詳情參閱6（a）。在該結構中，并非所有八面體空隙都被填充，并且在八個零之間形成了“空位”。如果旋轉模型，則可以看到這些“空位”相互連接形成棱中心體心的結構這一擴散通道，詳見圖6（b）中的藍色箭頭指向。這是一種方形的二氧化鋯，在氧氣泵、氧氣傳感器探頭以及固體氧化物燃料電池中使用。與電化學材料的理論基礎相似，沿著尖晶石LiMn204的周圍八面體以及四面體之間的間隙可以觀察到空位通道。這是它作為鋰電池正極材料的重要結構前提。

圖6 二氧化鋯的晶體結構

5.VESTA軟件在拓展性學習中的應用

CIF格式的晶體信息文件是用于存儲以及傳遞晶體結構數據中通用的一種文件格式。有許多CIF格式的數據庫，提供下載文件服務，例如，CCDC（劍橋大學的晶體學數據中心）、COD（晶體學開放數據庫）以及AMCSD（美國礦物學家晶體結構數據庫）。

石英是以SiO2為主要成分的晶體，α型和β型石英是大家常見的晶體。實際上，受到地質環境復雜的影響，至少有十三種不同晶體結構的SiO2。石英的這些同質多像變體的晶體結構信息都可以在晶體數據庫中找到。通過晶體數據庫，查到柯石英、高低溫石英、鱗石英、超石英以及方石英，并使用VESTA軟件打開，從而了解這些晶體系統以及空間群，理解這些晶體的結構之間的差異，更深入的體會“結構決定性質”。

6.結語

對于化學結構材料，VESTA軟件可以識別其結構并了解其用途，是一種非常實用的3D顯示軟件，在結構化學教育中也起著非常重要的作用。通過使用VESTA軟件進行教育，學生可以通過鮮艷的3D圖形的方式學習抽象晶體機構，幫助學生學習晶體作圖的技能，極大地激發了學生在結構化學學習的積極性，并且教學效率大大提升。構建晶體結構3D模型的軟件就像一個用于晶體結構模型的3D虛擬仿真實驗室。其中，基于需要設置單位晶胞數，從任意角度觀察質點（原子、分子、離子和離子團）在三維空間的規律排列方式。每個質點的配位數、配位環境（包括鍵長、鍵角）、配位多面體的形狀以及它們的連接形式。通過質點空間位置的規律性變化，可以獲得晶體唯一的空間晶格。這有助于建立空間上的想象力以及加深對晶體結構的理解。利用開放型的晶體結構數據庫，VESTA軟件成為晶體結構的大型詞典，通過該詞典，文獻中記錄的各個晶體都能夠轉換為3D可視化圖形。事實證明，在教育中引入VESTA軟件是時代對新技術應用的必然選擇。