SiO₂ 実装と他材料への展開

概要

本ライブラリは

Central

↓

Bridge

↓

Second

というネットワークモデルを基本として設計されている。

そのため、 現在の実装は SiO₂ を対象としているものの、 アルゴリズム自体はある程度一般化されている。

一方で、

Qn の定義

Topology の作り方

Bond Parameter

などは SiO₂ の構造を強く反映している。

ここでは、 どこまでが汎用実装であり、 どこからが SiO₂ 専用実装なのかを整理する。

SiO₂ 固有となる部分

現在の実装で SiO₂ 固有となる部分は 主に次の四点である。

Qn の定義

SiO4 四面体

Bond Parameter

Angle Parameter

これらは 単純に元素名を書き換えただけでは 利用できない。

1. Qn の定義

Qn は本来

SiO4 四面体が

何本の Bridge Oxygen を持つか

というケイ酸塩で用いられる概念である。

例えば

Q4

は

4 本すべてが Bridge Oxygen

である。

Q3

なら

Non Bridging Oxygen

1 本

を持つ。

つまり

Qn

という名称自体は ケイ酸塩特有の用語である。

そのため、

ライブラリ内部では Qn と呼んでいるが、

実際には

Bridge 数解析

を行っていると考える方が一般化しやすい。

2. SiO4 四面体

Neighbor 探索では

nearest = 4

が標準となっている。

これは

SiO4

四面体を前提としている。

例えば

PO4

四面体なら 同じ設定で利用できる。

しかし

TiO6

AlO6

八面体では

nearest = 6

へ変更する必要がある。

つまり、

Neighbor アルゴリズムは汎用であるが、

既定値は SiO₂ 向けである。

3. Bond Parameter

Topology の

Bond

は

Si-O

を前提としている。

平衡距離も

Si-O

で設定されている。

他材料では

P-O

Ge-O

Al-O

などへ変更する必要がある。

これは JSON で対応可能である。

4. Angle Parameter

現在は

O-Si-O

Si-O-Si

が中心である。

これも

PO4

BO3

GeO4

などでは 変更が必要となる。

汎用化されている部分

逆に、 次の部分は材料に依存しない。

Structure

VaspStructure

は 完全に汎用である。

元素にも ネットワークにも依存しない。

POSCAR を扱うだけである。

Network Model

Central

↓

Bridge

↓

Second

というモデル自体も 比較的汎用である。

例えば

P-O-P

Ge-O-Ge

Al-O-Si

B-O-B

などにも利用できる。

Writer

Writer は

解析結果

しか見ていない。

したがって

Si

O

という情報は持っていない。

Writer 自体は RMC_POT の書式へ変換するだけなので、 最も汎用性が高い。

どの材料まで利用できるか

そのまま利用しやすい材料

比較的容易に利用できるもの

SiO2

GeO2

P2O5

B2O3

AlPO4

Al-Si-O 系

これらは

架橋酸素

という概念が存在する。

そのため、

Bridge Network

という考え方を そのまま利用できる。

少し修正が必要な材料

例えば

Li2SiO3

Li2Si2O5

Na2SiO3

などでは

Modifier Cation

が存在する。

この場合

Li

Na

は

Bridge

にはならない。

Qn 判定では

Si

↓

O

↓

Si

だけを見る必要がある。

Neighbor 探索はそのまま使えるが、

解析条件は JSON を調整する必要がある。

アルゴリズム変更が必要な材料

例えば

Li3PO4

Li3PS4

NASICON

では

Li

がネットワーク形成原子ではない。

目的も

Li 拡散

Li Site

解析となる。

この場合

Bridge Network

という考え方そのものが 解析目的と一致しない。

したがって

QnNetworkAnalysis を そのまま利用することは難しい。

適用が困難な材料

例えば

Fe

Ni

Cu

Pd

Pt

などの 金属ガラスでは

Bridge Oxygen

が存在しない。

Qn の概念自体がない。

この場合は

Neighbor Graph

Voronoi

CN

Delaunay


など、
全く異なる解析アルゴリズムが必要となる。

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# 今後の拡張

現在の実装は

QnNetworkAnalysis


という名前になっている。

しかし、
実際に行っている処理は

Bridge Network Analysis


である。

将来的には

NetworkAnalysis


という抽象クラスを用意し、

QnNetworkAnalysis

PO4NetworkAnalysis

OctahedralNetworkAnalysis

MetalNetworkAnalysis


などへ派生させる構成が考えられる。

Builder は

JSON

↓

解析クラス選択


だけを行えばよい。

これにより、

Writer は変更せずに
解析アルゴリズムだけを差し替えられる。

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# 本ライブラリの位置付け

本ライブラリは

Qn を解析するライブラリ


というよりも、

局所ネットワークを解析し、

RMC_POT の拘束入力へ変換するライブラリ


として設計されている。

現在は SiO₂ を対象としているため、
Qn 解析が中心となっているが、

設計そのものは

構造解析

↓

抽象ネットワーク

↓

RMC_POT 入力


という三段階構成になっている。

この責務分離により、

- 新しい解析アルゴリズム
- 新しい材料
- 新しい拘束形式

を比較的容易に追加できる構成となっている。

以上で、本ライブラリの設計思想、解析アルゴリズム、RMC_POT の FNC/Topology 生成、および SiO₂ を中心とした適用範囲についての解説を終える。