Qn ネットワーク解析
目的
RMC_POT の FNC や Topology を作成するためには、
「どの原子同士が局所構造を構成しているか」
を決定する必要がある。
本ライブラリでは、この局所構造を
Central
│
Bridge
│
Second
という三層構造として定義する。
SiO₂ の場合は
Si
│
O
│
Si
となる。
この構造をネットワークとして解析し、 Qn 値や Bond 情報を生成する。
ネットワークモデル
本ライブラリでは ネットワークを
Central ----- Bridge ----- Second
という一般形で表現する。
各原子種は JSON から指定される。
例えば SiO₂ では
Central : Si
Bridge : O
Second : Si
である。
この設計により、 解析アルゴリズム自体は SiO₂ 固有ではない。
Qn の定義
Qn は
「Central に結合している Bridge のうち、 別の Central とも結合している Bridge の本数」
として定義される。
例えば
Si
│
O─────┼─────O
│ │
Si Si
では
Q2
となる。
Bridge が他の Central に接続していない場合は Non-bridging Oxygen (NBO) とみなされる。
解析手順
解析は概ね次の順で行われる。
POSCAR
↓
原子種抽出
↓
Central 抽出
↓
Bridge 抽出
↓
Second 抽出
↓
Central-Bridge 探索
↓
Bridge-Second 探索
↓
Bridge 判定
↓
Qn 判定
↓
Bond 情報生成
↓
Angle 情報生成
↓
FNC Pair 生成
1. 原子種抽出
POSCAR に含まれる原子種を読み込み、
JSON に定義された
central_types
bridge_types
second_types
へ分類する。
この段階では距離判定は行わない。
2. Central–Bridge 探索
Central と Bridge の近傍探索を行う。
探索方法は
cutoff
または
nearest
の二種類である。
cutoff
距離範囲内のすべてを採用する。
first_min
～
first_max
の範囲で判定する。
nearest
距離条件を満たした候補から
N 個
だけ採用する。
SiO₂ では
nearest = 4
を利用することが多い。
これにより
SiO4
四面体が安定して得られる。
3. Bridge–Second 探索
Bridge から見た Second 原子を探索する。
方法は二種類ある。
second_use_first_network = false
Bridge を中心に 改めて距離探索を行う。
O
↓
Si
を距離だけで探索する。
最も単純な方法である。
second_use_first_network = true
Bridge–Second を 新たに探索しない。
すでに求めた
Central
↓
Bridge
のネットワークを反転し、
Bridge
↓
Second
を構成する。
こちらの方が
Central–Bridge
と
Bridge–Second
の整合性が保たれるため、 SiO₂ ではこちらを推奨する。
4. Bridge 判定
Bridge ごとに
Bridge
↓
Second
が何個存在するか調べる。
Central 自身は除外し、
別の Central
へ接続しているものだけを
Bridge
とみなす。
5. Qn 判定
Central ごとに
Bridge
↓
別 Central
となっている Bridge を数える。
例えば
4 本
↓
Q4
3 本
↓
Q3
2 本
↓
Q2
となる。
Qn は Bridge の本数ではなく、
Bridge のうち
「他の Central と共有されているもの」
だけを数える。
解析結果
解析後には 次の情報が生成される。
Central ごとの Qn
Bridge 情報
Bond 情報
Angle 情報
FNC Pair
これらは RMC の書式とは独立した 抽象ネットワーク情報である。
以降の Writer は この情報だけを利用して RMC_POT の
FNC
Topology
を書き出す。
つまり
解析
↓
抽象ネットワーク
↓
RMC ファイル
という三段階構成になっている。
これにより、
解析アルゴリズム
と
出力フォーマット
を完全に独立させている。