VESTA三维显示软件在结构化学晶体结构教学中的应用研究

＊陈瀛 宫斯宁 芦露华 杨洋 莫海灏

（中国地质大学（武汉）湖北 430000）

当前，迅速发展的计算机技术，使得计算机软件广泛地应用在教育教学中。在教育流程中，使用这一技术可以创建更加生动的各类照片以及动画，学生对学习的兴趣可能会大大增加。结构化学是化学研究的重要部分，主要从原子以及分子层面分析物质的结构以及组成。从学生的反馈可知，该课程具有一些难以理解的理论以及结构，因为微观晶体结构的具有抽象性，提高该课程在教育过程中的难度。

1.在晶体结构教学中VESTA 3D显示软件在结构化学晶体中的应用价值

VESTA是“电子以及结构分析的可视化”英文的缩写，它是一款免费的软件。可以从网页直接下载每种操作系统对应的版本，并配有相应的操作手册。它是用于晶体建模以及显示的非常强大的工具，功能多种化。例如，电荷密度显示、晶体结构创建、基本矢量修改以及晶体面标记。同时，VESTA软件是一款出色且实用的晶体结构软件，具有科学合理的视觉效果、操作设置、紧凑的尺寸，无需安装即可使用。在结构化学晶体中应用3D模型构建软件，可以在显示终端上建立三维虚拟仿真实验室。通过安装超级电池，可以从各个角度观察每个粒子的协调以及放置规则。通过超胞的构建，可以为多面体、晶胞以及晶格生成连接模式。当应用于教育时，弥补学生在空间上缺乏想象力的不足，并提升学生的抽象思维能力。VESTA软件当前被许多教育以及科学研究人员引入教育，并取得了很好的效果。

2.使用VESTA软件辨析等同点、晶胞、晶格等概念

(1)辨别体心立方的氯化铯、金属铬

将Cr以及CsCl立方晶体相关信息文件导入VESTA软件中。通常以eif格式删除晶胞外的原子，单击“样式”“边界”选项卡，然后设置x、y。如果将Z值设置成2，将获得表1中所示的两个晶体的八个晶胞图。两者都属于立方体系，在原子体心具有原子，并且具有十分相似的晶体结构。以体心为体心的金属铬以及顶点铬原子具有相同的几何环境，并且是等同点的。空间网格是一个以立方体为体心的空间格子。氯化铯包括以身体为体心的铯离子以及顶点体心的氯离子，两者是不同的，分别具有一组等同点。

表1 对比体心立方的CsCl以及金属铬的晶体结构

(2)金刚石的晶体结构辨析

学生熟悉的金刚石的晶体结构，它是一个空间网络结构，其中四个碳原子与一个碳原子连接并无限延伸，实际上是沿着（111）做立方最紧密堆积而成，但是教学中，很多学生缺乏碳原子类型以及金刚石晶胞的知识，将金刚石晶体对应的信息文件导入VESTA软件，得到如图1（a）的结构。显然，金刚石属于立方体系。然后旋转模型，可以看到熟悉的3D网络结构。在这里，可以复习选择结构晶格的原理。接下来，将物体对角线上的碳原子设成红色，然后旋转以得到图1（b）的结构。可以看出，在顶点上的碳原子与对角线上的碳原子价键的取向有很大的不同。两个价键一个指向左上方，另一个指向右下方。由于价键具有不同的取向，两个碳原子附近具有不同的条件。也就是说，它们具有不同的几何环境并且并非是等同点。

所以，很轻易地就可以看出金刚石具有两种类型的碳原子，即立方体的上角以及面心上部碳原子附近的环境（灰色球）是相同的，并且是一组等同点；对角碳原子附近的情况是相同的，这是等同点的另一组。删除一组碳原子，得到图1（c），然后将剩余的碳原子设为点，这得到了金刚石晶格结构，即如图1（d）的垂直体心网格，图1（e）显示了晶胞。如图1（f）所示，上角的C原子以及对角线上的C原子构成一个结构元素。在此示例中，使用VESTA软件，很容易观察到金刚石具有“两种不同的碳原子”位于顶点角以及面部体心，这两种C原子所在的几何环境间的不同点。二维平面图形以及实物的模型由于空间表达的局限性，仅能显示有限晶胞，无法体现晶胞规则堆积形成完成晶体的特点。特别是最外侧晶胞角顶和面心的C原子非单独原子，而是与相邻多个晶胞共用，增加了学生理解上的困难。

图1 金刚石晶体结构

3.以各种方式加深学生对晶体结构的理解

(1)NaCl晶体中的八面体空位理解

NaCl晶体的八面体孔结构当中，所有离子都有6个相互毗邻的离子，形成一个八面体，形成图2的立方晶体中最稠密的堆积成分。VESTA的3D图形显示了分别由氯离子以及钠离子以及形成的八面体结构。从图2中可以看出，钠离子以及氯离子填充在相互离子提供的八面体的空位当中。3D图形显示使学生可以非常直观地观察八面体空位，这可以帮助学生学习NaCl晶体的空间组成。

图2 NaCl晶体中的八面体空位

(2)氟化钙晶体四面体孔结构

使用VESTA对氟化钙晶体的四面体空位进行显示，如图3所示。可以看到，氟化钙中的氟离子实际上是填充在钙离子形成的四面体孔中的间隙。VESTA软件的使用，可以帮助学生直观地观看四面体空位具有的晶体结构。

图3 氟化钙晶体的八面体空位结构

(3)金红石型的二氧化钛具有的晶体结构

二氧化钛使用球形紧密堆积方法，可以将晶体结构描述成氧离子，几乎呈六边形的紧密堆积，其中钛离子位于八面体空隙的1/2处，详情参阅图4（a）。使用二氧化钛晶胞会累积氧离子，如图4（b）所示，使用在8晶胞上配置的VESTA软件，可以很清晰地观察到密堆积表面为（100），密堆积方向是a轴方向。氧离子沿a轴方向进行堆积，钛离子填充至八面体空位的1/2。如图4（c）显示，粉红色面为（100）面。

在VESTA中，可以使用菜单中的[Edit]->[Lattice Plane]将晶面索引添加到晶面。接下来，如图4（d），将间距转换为多面体时，晶体结构的基本配体为Ti-0这一八面体结构，并且八面体在一条链中位于同一棱上。图4（d）的方向a为晶胞体心的链方向，图4（d）的方向b为四个角处的链方向，它们以相差90°的方向进行排列。由此可见，二氧化钛晶胞体心的钛离子以及四个角的钛离子在配位氧的取向上的角度差是90°。两个钛离子的几何环境是不同的，并且不具有等同点。所以，金红石型的二氧化钛是四边形的原始晶格。仅使用图4（a）中的晶胞结构，可以轻松地忽略被认为不同的四角钛以及体心，认为是四方体结构的体心晶格。

图4 金红石型的二氧化钛晶体结构

(4)电化学教学中VESTA软件的建模以及显示

在教授电化学材料LiCoO2（钴酸锂）时，大多数学生对它的层状结构，诸如锂离子、钴离子以及氧离子的排列很难理解。借助免费的VESTA软件，可以轻松解决此问题，可以老师以及学生在课上课下可以快速使用该软件。

首先，使用VESTA软件创设钴酸锂的晶胞结构，详见图5（a）。蓝色为钴离子，绿色为锂离子，红色为氧离子。从这个角度来看，学生对晶体结构基础的知识缺乏的，就很难准确地掌握元素的分布情况。

图5 电化学材料LiCoO2的VESTA操作

其次，点击“编辑”的“加入”界面，将氧离子以及锂离子之间的最大距离设置成2.5，详见图5（b），然后单击ok按钮。此时，显示图5（c）显示的锂离子与周围氧离子的化学键结构。

接下来，在样式界面中单击多面体按钮，用来显示多面体的晶胞。可以得到一个八面体结构，其中Li为主体体心，顶点为6个氧离子。也就是说，锂离子子在钴酸锂晶胞的氧层中，并处于八面体交替的体心处。可以对显示的透明度进行设置，以更清晰地显示体心的锂元素。在“对象”->“属性”->“多面体”->“不透明度”界面中进行设置值的范围为0到255。实际上，不透明度的随着设置数值的减小而下降。换句话说，透明度越高，越容易看到体心的元素。图5（a）为不透明度设置为150时的结构。

最后，重复第二步的操作，将钴离子以及氧离子之间的最大距离设置为2.5，最后得到图5（e），清楚地显示了钴酸锂具有的晶体结构。

4.利用VESTA软件加深对二氧化锆晶体结构特征的了解

立方二氧化锆的晶体结构为萤石型，如果将其视为密排结构，则锆离子以立方密排结构排列，氧离子均为四面体空位，详情参阅6（a）。在该结构中，并非所有八面体空隙都被填充，并且在八个零之间形成了“空位”。如果旋转模型，则可以看到这些“空位”相互连接形成棱中心体心的结构这一扩散通道，详见图6（b）中的蓝色箭头指向。这是一种方形的二氧化锆，在氧气泵、氧气传感器探头以及固体氧化物燃料电池中使用。与电化学材料的理论基础相似，沿着尖晶石LiMn204的周围八面体以及四面体之间的间隙可以观察到空位通道。这是它作为锂电池正极材料的重要结构前提。

图6 二氧化锆的晶体结构

5.VESTA软件在拓展性学习中的应用

CIF格式的晶体信息文件是用于存储以及传递晶体结构数据中通用的一种文件格式。有许多CIF格式的数据库，提供下载文件服务，例如，CCDC（剑桥大学的晶体学数据中心）、COD（晶体学开放数据库）以及AMCSD（美国矿物学家晶体结构数据库）。

石英是以SiO2为主要成分的晶体，α型和β型石英是大家常见的晶体。实际上，受到地质环境复杂的影响，至少有十三种不同晶体结构的SiO2。石英的这些同质多像变体的晶体结构信息都可以在晶体数据库中找到。通过晶体数据库，查到柯石英、高低温石英、鳞石英、超石英以及方石英，并使用VESTA软件打开，从而了解这些晶体系统以及空间群，理解这些晶体的结构之间的差异，更深入的体会“结构决定性质”。

6.结语

对于化学结构材料，VESTA软件可以识别其结构并了解其用途，是一种非常实用的3D显示软件，在结构化学教育中也起着非常重要的作用。通过使用VESTA软件进行教育，学生可以通过鲜艳的3D图形的方式学习抽象晶体机构，帮助学生学习晶体作图的技能，极大地激发了学生在结构化学学习的积极性，并且教学效率大大提升。构建晶体结构3D模型的软件就像一个用于晶体结构模型的3D虚拟仿真实验室。其中，基于需要设置单位晶胞数，从任意角度观察质点（原子、分子、离子和离子团）在三维空间的规律排列方式。每个质点的配位数、配位环境（包括键长、键角）、配位多面体的形状以及它们的连接形式。通过质点空间位置的规律性变化，可以获得晶体唯一的空间晶格。这有助于建立空间上的想象力以及加深对晶体结构的理解。利用开放型的晶体结构数据库，VESTA软件成为晶体结构的大型词典，通过该词典，文献中记录的各个晶体都能够转换为3D可视化图形。事实证明，在教育中引入VESTA软件是时代对新技术应用的必然选择。