熔渣玻璃非晶态结构 分子动力学结构径向分布函数RDF/配位数CN/Qn/桥氧/非桥氧参数统计

ASAT v3.0：非晶态材料分子动力学结构分析工具

简介

ASAT（Amorphous Structure Analysis Tool）是一款面向非晶态材料原子级结构分析的桌面软件，适用于氧化物玻璃、熔体、金属玻璃等体系。软件提供从数据导入、模型可视化到径向分布函数（RDF）、配位数（CN）、键角分布函数（ADF）以及 Qn 聚合度分析的一站式工作流。

v3.0 基于 Python + PyQt5 重新开发，前端负责界面交互与可视化，后端计算引擎采用 C++ 实现，兼顾开发效率与计算性能。

视频教程：https://www.bilibili.com/video/BV1pa411g7cm/

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输入格式与预处理

ASAT 支持两种主流模拟软件的 XYZ 文件格式：

• LAMMPS dump 格式：每帧包含原子数、ITEM: BOX BOUNDS 盒子边界信息及三列原子坐标，支持自定义长度单位。
• OVITO 导出格式：第 2 行以 Lattice= 开头包含晶格向量信息，程序自动解析盒子参数。

盒子参数完整支持三斜晶系六个自由度（a, b, c, α, β, γ），并可通过 iso_xyz / iso_theta 快速切换为正交或立方盒子。周期性边界条件（PBC）可按 x、y、z 方向独立开关。

加载 XYZ 文件后，内置 matplotlib 三维散点图实时渲染第一帧原子构型，不同元素以颜色和图例区分。点击「计算准备」，程序将坐标和盒子信息序列化为标准化二进制文件，供后续分析模块读取。

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结构分析模块

1. RDF — 径向分布函数

基本原理：径向分布函数 g(r) 描述在以某类原子为中心、距离 r 处找到另一类原子的概率密度相对于均匀分布的比值：

$ g_{\alpha\beta}(r) = \frac{V}{N_\alpha N_\beta} \left\langle \sum_{i \in \alpha} \sum_{j \in \beta, j \neq i} \delta(r - |\mathbf{r}_i - \mathbf{r}_j|) \right\rangle $

配位数积分 CN(r) 为 g(r) 在球壳内的积分：

$ CN(r) = 4\pi \rho_\beta \int_0^r g_{\alpha\beta}(r') r'^2 dr' $

参数：用户指定中心原子类型、近邻原子类型、r 轴划分份数 Nbins（10–10000），程序对指定帧范围内的所有帧取平均。

输出：

• g(r) 曲线图，标注第一峰位置 r_max 和峰值 g_max
• CN(r) 配位数积分曲线，标注第一配位壳层配位数 CN_max
• CSV 数据文件：r(Å), g(r), CN(r) 三列

用途：g(r) 第一个峰的峰位对应平均键长，第一个谷底位置为后续 CN 和 ADF 分析的截断半径提供依据。

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2. CN — 配位数分析

基本原理：在给定截断半径 $ r_\text{cut} $ 内，统计每个中心原子 i 的近邻原子个数：

$ n_i = \sum_{j \in \beta} \Theta(r_\text{cut} - |\mathbf{r}_i - \mathbf{r}_j|) $

其中 $ \Theta $ 为阶跃函数。遍历所有中心原子后，以直方图表示配位数为 k 的原子所占百分比。

关键参数：截断半径 $ r_\text{cut} $，建议取对应原子对 RDF 曲线第一个峰后的谷底横坐标。

输出：

• 配位数分布柱状图（CN0, CN1, CN2, ...）
• TXT 数据表：配位数编号、平均个数、百分比

用途：配位数分布直接反映原子近邻化学环境。以 Si–O 为例，四配位 Si（CN=4）占比越高，表明硅氧四面体网络的完整性越好。

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3. ADF — 键角分布函数

基本原理：对于三原子体系 B–A–C，A 为键角顶点，统计所有满足 B–A 距离 < $ r_\text{AB} $ 且 A–C 距离 < $ r_\text{AC} $ 的三原子组的键角分布：

$ \theta = \arccos\left( \frac{\mathbf{r}{AB} \cdot \mathbf{r}{AC}}{|\mathbf{r}{AB}| |\mathbf{r}|} \right) $

将 θ 在 0°–180° 范围内划分为 Ntheta 份，以直方图给出 g(θ) 分布。

关键参数：

• atom B / atom A / atom C：三原子类型选择
• $ r_\text{AB} \(、\) r_\text{AC} $：两对键长的截断距离，建议取自对应 RDF 第一个谷底

输出：

• 键角分布 g(θ) 曲线图
• CSV 数据：θ(°), g(θ) 两列

用途：

• O–Si–O 键角：典型峰值约 109.5°，反映 SiO₄ 四面体的畸变程度
• Si–O–Si 键角：典型峰值约 140°–150°，反映四面体连接方式，峰位偏移指示网络拓扑变化
• T–O–T（T=Si, Al）：多组分体系中不同网络形成子间的桥氧键角对比，常用于推测环统计信息

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4. 批量 RDF 计算

菜单栏 Run → 批量计算 RDF 可自动生成数据中所有不重复的原子对（含同类自对），一次性完成所有原子对的 RDF 计算。例如数据包含 {O, Si, Al} 三种原子时，自动计算 O–O、O–Si、O–Al、Si–Si、Si–Al、Al–Al 共 6 对。

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Qn 分析：氧环境分类与聚合度

氧原子环境分类

Qn 模块的核心是对体系中每个氧原子（或氟原子）的化学环境进行分类。分类的依据是该氧原子在截断距离内键合的网络形成子（Network Former，如 Si、Al、B、P 等）个数：

类型	缩写	定义
自由氧	FO（Free Oxygen）	不与任何网络形成子键合
非桥氧	NBO（Non-Bridging Oxygen）	仅与 1 个网络形成子键合
桥氧	BO（Bridging Oxygen）	与 2 个网络形成子键合
三配位氧	TO（Tricluster Oxygen）	与 3 个网络形成子键合

Qn 聚合度分布

在完成氧环境分类后，对每个网络形成子 T 统计其周围桥氧数 n，即该形成子通过多少个 BO 与其他形成子相连。n = 0, 1, 2, 3, 4 分别对应 Q⁰、Q¹、Q²、Q³、Q⁴ 结构单元：

Qn 种类	桥氧数	结构含义
Q⁰	0	孤立的 [TO₄] 四面体，所有氧均为 NBO
Q¹	1	仅与 1 个相邻四面体共享桥氧，链端
Q²	2	链状或环状结构的中间单元
Q³	3	片层结构的交联节点
Q⁴	4	三维网络完全交联，所有氧均为 BO

参数配置：用户指定帧范围、氧原子类型，以及最多 5 个网络形成子的元素类型和各自对应的 T–O 键长截断距离。键长参数建议取自对应体系的 T–O 原子对 RDF 第一个谷底。

输出：

• Otype 表格：各类氧（FO / NBO / BO / TO）的统计数量及百分比
• Qn 汇总表：各网络形成子的 Q⁰~Q⁴ 百分比分布
• 氧类型分布图：各类型氧占比柱状图
• Qn 分布子图：每个网络形成子单独一张 Qn 分布图

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应用场景：

• 玻璃网络聚合度的定量表征：Q⁴ 占比越高，网络交联程度越大
• 改性剂（如 CaO、Na₂O）加入后 NBO 比例上升，玻璃网络解聚程度的量化
• 混合网络形成子（Si/Al、Si/B）的 Qn 交叉分布，用于研究 Al 或 B 对网络拓扑的影响
• 熔体黏度-结构关联：NBO/T（每个四面体的非桥氧平均数）与黏度的定性关系

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技术架构

层级	技术选型	职责
GUI	Python + PyQt5	多标签页界面、参数控件、3D 可视化、图表渲染
计算引擎	C++	RDF/CN/ADF/Qn 核心计算，二进制中间数据读写
可视化	Matplotlib	3D 散点图、分析图表生成与导出
数据序列化	自定义二进制格式	坐标与盒子信息的高效读写

运行环境：Windows 10/11 64 位

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获取

ASAT v3.0 通过网盘分享的文件：ASAT
链接: https://pan.baidu.com/s/1OzWo4QyPFWKdmrEkLzJWeg?pwd=gqfm 提取码: gqfm
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联系方式

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• B 站教程：https://www.bilibili.com/video/BV1pa411g7cm/

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