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CrystalMaker X のユーザーインターフェース。
左上:アニメーションフレーム。右上:細孔 (porosity) の可視化。
左下:Library ブラウザ。右下:Vibrations エクスプローラ

 

統合された構造ライブラリ:オリジナルのデータを追加可能

CrystalMaker には、注釈、指数、および、即座に表示できるプレビューを備えた 1200 種類を超える統合された結晶ライブラリが装備されています。このライブラリには、400 種以上の鉱物 (主要な造岩鉱物のすべてとその他の鉱物) と、重要な無機および有機結晶と分子構造、すなわち、バッキーボール (C60 構造) からゼオライト、歯科用セラミックから高温超伝導体などが収録されています。このほかにも、多彩なテーマ別ライブラリも収録されています。


ライブラリのデータは典型的な単なる CIF テキストファイルではありません。全てのファイルは、CrystalMaker のリッチドキュメントフォーマット (CMDX または CMDF) で保存されています。従って、結合情報、多面体情報、詳細なノート (資料に関する情報など)、強力な検索機能のための完全なメタデータが完備された状態のモデルを素早く読み込むことができます。

可能な限り視覚的な理解を促進するよう表示方向とモデル設定が最適化されており、ユーザーの貴重な時間が無駄にされることはありません。

多くの結晶ファイルには、その構造の様々な特徴をあらわすために複数の表示法で構造が保存されています。複雑なフレームワークは、例えば、(Al,Si)O4 四面体、四面体の環、ケージ、チャネルといった構成要素に分割され、それらがネットワーク全体を構成します。これらのファイルは教材に利用できます。ファイルを開き、Play ボタンをクリックするだけで、これまでに見たこともないナノスケール世界の美を発見することができます。

ライブラリのブラウザビューでは、フォルダごとにグループ化したり、フラットビューで構造を閲覧したり、ライブラリに統合された CrystalViewer で回転する構造やそのノートを簡単に調べたりすることができます。また、ユーザー自身で作成したコンテンツを追加したり、フォルダに構造をグループ分けしたり、ファイル名・ノート・化学構造式で検索することができます。

Structures Library の表示例 (図左)。サムネイルを強めにクリック (force-clicking) または Info ボタンをクリックすると、アニメーションのプレビューが表示されます (図右)。

 

データのインポートとエクスポート

自身で作成したデータを可視化することが可能です。約 40 種類のフォーマットの構造データをインポートして、それらを素早く可視化したり、カスタマイズすることができます。DL_POLY の HISTORY ファイル等、多構造ファイルを取り扱うことができます。同期化機能とアニメーション機能を使えば、構造的な挙動、格子力学を素早く理解したり、シミュレーションの軌道 (trajectory) を可視化することができます。塊状 (massive) の構造も取り扱うことができます。”Depth Profiling” ツールを利用すれば、塊状構造の関心領域を素早くスキャンできます。


インポート可能なデータ形式:

  1. 3ED Volumetric
  2. ATOMS (v4, v5)
  3. CASTEP Cell
  4. CASTEP Output
  5. CASTEP Volumetric
  6. CCL
  7. Chem3D Cartesian
  8. CIF
  9. CMDX (CrystalMaker X Document)
  10. CMDF (CrystalMaker 7–9 Crystal)
  11. CMMF (CrystalMaker 7–9 Molecule)
  12. CMTX (CrystalMaker Text)
  13. CSSR
  14. Gaussian CUBE
  1. DEN (Volumetric)
  2. DL_POLY Config
  3. DL_POLY Revcon
  4. DL_POLY History
  5. DMol3 “CAR” file
  6. DMol3 “ARC” trajectory file
  7. FDAT (CCSD)
  8. GRD (Volumetric)
  9. GROMACS
  10. GSAS
  11. GULP
  12. ICSD
  13. LAMMPS dump
  14. Molfile
  15. PDB
  16. RMCProfile
  17. SDFile
  1. SHELX
  2. STRUPLO
  3. SYSTRE
  4. TOPAS
  5. VASP Structure (POSCAR, CONTCAR)
  6. VASP Trajectory (XDATCAR)
  7. VASP Volumetric (CHG, CHGCAR, etc.)
  8. VESTA
  9. Voxel
  10. WIEN2k Structure
  11. XCrySDen Structure (XSF)
  12. XCrySDen Animation (AXSF)
  13. XYZ

各種アウトプットオプションを利用して、他のプログラムとデータを共有したり、構造データ、結合距離、配位環境を保存したり、あるいは、ウェブページを作成することができます。


エクスポート可能なデータ形式:

  1. CASTEP Cell
  2. Chem3D Cartesian
  3. CIF
  4. CMDX (CrystalMaker X Document)
  5. CMTX (CrystalMaker Text)
  6. Coordinates file
  7. Visible Coordination file
  1. Crystal Coordination file
  2. Distances & Angles
  3. DL_POLY Config
  4. DL_POLY Revcon
  5. DMol3 “CAR” file
  6. Elements file
  7. GRD volumetric
  8. HTML Structure
  1. PDB
  2. RMCProfile
  3. VASP Structure
  4. Vibrational frequences & eigenvectors
  5. Vibrational spectrum (IR)
  6. Voxel volumetric
  7. XYZ

 

結晶と分子を素早く新規作成

CrystalMaker を使えば、どのような種類の結晶や分子構造でも素早く簡単に構築することができます。結晶学の面倒さは、組み込みの対称性操作機能と洗練された空間群ブラウザで解消され、全ての結合と多面体は、プログラムによって自動的に生成されます。分子の構築も同様に簡単です:ポイント&クリックで原子と結合を追加します。新たに追加された Relax コマンドを使えば、作成した構造のエネルギーを最小化して最適化することができます。

CrystalMaker のモデルタイプには、トラディショナルな “ball-and-stick” をはじめ、space-filling (空間充填)、polyhedral (多面体)、wireframe (ワイヤーフレーム)、thermal ellipsoids (熱振動楕円体) といった広範な種類が用意されています。いずれのモデルタイプも細部にわたりカスタマイズできます。表示オプションによって、フォトリアリスティックなグラフィックにしたり、シンプルなラインアートにすることができます。連続的するプロット範囲を設定すれば、数百万にもおよぶ原子、結合、多面体を描画できます。

 

3D グラフィック機能

CrystalMaker には、高画質で高速なピクセルパーフェクトなグラフィックで重なり補正と透過を実現する業界をリードする 3D グラフィクスが装備されています。印刷品質のグラフィックを透明度付きで保存したり、回転する魅力ある構造やアニメーションをビデオに保存できます。

同一の結晶内の異なる原子に異なる多面体スタイルを適用した例 (左上)。原子ベクトル (右上)。
曲面で構成された凹状の多面体 (左下)。半透明の多面体の頂点に楕円体を表示した例 (右下。)

 

リアルタイムの操作環境

マウスをクリック&ドラッグしたり、キーボードやツールバーを使用できます。格子ベクトル又は平面の法線と並行に表示できます。トラックパッド、 タッチバーによるマルチタッチ回転や縮尺を利用できます。Windows 版では Leap Motion Controller を使用すると空間内でシンプルなハンドジェスチャーを利用できます。Mac 版では、タッチバーインターフェースがサポートされます。専用のタッチダイヤル、方向プリセット、およびスライダーを使用して回転とズームを行うことができます。

CrystalMaker X で利用できる多数のタッチバーインターフェースの例。
上から順にデフォルトのレイアウト、回転ダイヤル、構造スクラバー、原子ピッカー。

 

多構造アニメーション

CrystalMaker は静的な結晶構造の作成から一歩進んで、構造上の挙動を素早く簡単に探索することができるプログラムです。複数のファイル (または、単一の多構造ファイル) を同一ウィンドウにドラッグ&ドロップしたら、表示される構造のサムネイルをアニメーションのフレームとして並び替えるだけです。複数の表示内容を操作して同期させ、サムネイルをドラッグ&ドロップして順番を変更したら、再生ボタンをクリックしてアニメーションを表示させることができます。さらに、アニメーションを回転したり縮尺したり、モデルタイプを変更したり、表示方向やモデル設定を変更することもできます。また、プレイバックコントロールを使って、アニメーションシーケンスを「スクラブ」し、シミュレーションの軌跡を素早く確認することもできます。作成したアニメーションは、ウェブやプレゼンテーション用に利用できるムービーとしてエクスポートできます。

リューサイト構造の六員環の緩和

 

説得力のある教材の作成

CrystalMaker のドキュメントには、複数の構造を保存することができます。保存された各構造はグラフィカルなサムネイルであらわされます。構造上の挙動やアニメーションとして活用できることはもちろんですが、同じ構造の異なるビュー、異なるモデルタイプ、原子範囲、関連する構造について保存することもできます。どの構造にも個別のノートを付けられます。これらを 3D 回転モデルとともにインタラクティブなスライドショーとして文脈に従って提示することで、教育用として理想的なツールになります。プログラムには、魅力的な教材の作成例が同梱されています (例:”Building Quartz”, “Building Spinel”)。

多構造 (multi-structure) ドキュメントウィンドウの一例。画面左の List View にはモデル構造の一覧が、中央には現在選択されたモデルの内容が、画面右側にはそのノートが表示されています。

 

ボリューメトリックデータの可視化

現在の構造に任意数の 3D データセットを組み合わせて表示することができます。データセットのそれぞれには個別の視覚設定を行うことができます。インポートできる可視化データは、テキストファイルや電子密度や細孔計算のプログラムで作成されたファイルです。

左上:Smb6 の電荷密度 (Charge density) の可視化例。半透明で重ねた密度の一部を切り取り、その下にある結晶構造を見せています。
右上:安息香酸の電子密度 (Electron density) をシミュレーションし、(001) 面に投影した例。
左下:銅構造の細孔を可視化した例。
右下:Gaussian の CUBE ファイルをインポートして、グラデーションの等値面としてあらわした電荷密度の例。

  • ボリューメトリックデータの可視化。3ED, CASTEP, Gaussian CUBE, DEN, GRD, GULP, VASP, Voxel, XSF ファイルに対応
  • 細孔 (porosity) の可視化。”negative” (void) または “positive” (filled) 空間として表示可能
  • 任意の結晶構造の電子密度の計算と可視化
  • スライダーコントロールによるデータ表示範囲の固定化
  • ポイントクラウド (サイズ又は不透明度) 表示オプション
  • 複数の格子面断面図に透明度を適用した可視化
  • リアルタイムの範囲コントロールを使用した等値面やボリュームの表示
  • バイキュービック補間による実験データのフラット化で美しいスムーズな表示を実現
  • 内部、外部、切断面のカラーのカスタマイズ
  • カラーグラデーションの選択
  • 複数のデータセットを同一ウィンドウ内で操作
  • データセットの追加と除外

 

パワフルな計測機能

CrystalMaker には、原子や結合をマウスでクリックしたり、ロールオーバーするだけで結合距離、角度、ねじれ角といった配位環境をリアルタイムに測定できる操作性の高いスクリーンツールが装備されています。また、半径をリアルタイムに調整しながら配位クラスターやシェルを可視化できます。例えば、球状のナノ粒子もマウスをクリックするだけで作成できます。結合距離と角度の詳細な情報を画面に出力したり、テキストファイルにエクスポートすることができます。パワフルな Distance Explorer を使えば、任意の元素またはサイトの組み合わせについて、その配位環境をグラフィカルに可視化することができます。また、X 線や中性子の2体分布関数 (PDF) を可視化することもでき、選択した元素対の「部分」PDF を見ることもできます。

アモルファスシリカのシリコン原子周辺の距離密度を示す Distance Explorer ウィンドウ(構造提供:Prof Martin Dove, Queen Mary University of London)

アモルファスシリカの中性子 2 体分布関数の計算結果(構造提供:Prof Martin Dove, Queen Mary University of London)

 

分子モデリングと振動モード

CrystalMaker には、パワフルでユニークなエネルギー=モデリング・エンジンが装備されています。これを使えば、大まかな分子構造を手書きで作成したあと、エネルギーを最小化した3次元構造に変換できます。緩和する過程をリアルタイムに可視化できます。モデルを緩和する過程で回転させることも可能です。

CrystalMaker 独自のモデリング

  • 力場アプローチ。DFT を使用して補正したパラメータ化されたポテンシャルを利用。DFT のあらゆるメリット、すなわち、ほとんどリアルタイムに動作し、大規模な系にも適用できるメリットがお持ちのラップトップコンピュータで実現します。
  • 結合環境にもとづくポテンシャルのスマートな選択:ユーザーのインプットは一切不要。
  • 平衡からかけ離れた構造、たとえば、結合長が長すぎて結合角が歪んだ手描きの大まかな構造でもモンテカルロ技術で緩和を実現。
  • ハイブリッドの最小二乗サイクルを追加。構造精密化の最終段階でより高い精度を実現します。
  • 構造精密化サイクルの過程および実行後に、グラフ形式のエネルギー出力をメニューコマンドを介して利用可能。
  • Vibrations Explorer における振動モードの計算。振動数とシミュレーションの赤外線スペクトル、および、インタラクティブな振動の可視化。

エテン (Ethene) 分子の振動モードの可視化例。許容される全てのモード (周波数ゼロの6つの並進モードを含む) が画面左側にリストされています。選択したモードはアニメーションで表示されます。ユーザーは、アニメーションの振幅、スピード、クオリティ (フレーム数) を調整することができます。アニメーション表示されるモードは、回転したりサイズを調整したり、異なるモデルタイプで表示させることができます (例えば、Stick から Space-Fillin に切り替える等)。現在選択しているモードは、画面下側にある赤外線スペクトルの計算結果の中にハイライトで表示されます。

 

分子結晶ツール

CrystalMaker に用意されている専用ツールを使えば、単位胞1つの中身を損なうことなく表示したり、個々の分子を単離したり、非対称単位を表示することができます。断片になった分子を修復し、ある原子に隣接する原子に沿ってプロット範囲を広げることで、複雑さの中から正しい判断を導き出すことができます。

 

変換機能と結晶工学

CrystalMaker を使えば、単位胞を変換したり、格子タイプを変更したり、スーパーセルを構築したり、原点を移動したり、任意のマトリクス変換を適用することができます。選択した格子面に単位胞を投影して “surface cell” を作成することも可能です。

CrystalMaker の選択ツールを使えば、原子群の移動、切り離し、複製、非表示、削除ができます。分子断片を非表示にしたり修復したり、個々の分子を単離できます。任意の方位の格子面を表示できます。結晶をスライスして表面や内部面を調べたり、ある構造や分子を別の構造や分子に配置できます。CrystalMaker のリアルタイム結晶工学ツールを使えば、作成した結晶格子の中にスペースを挿入したり、新規原子や分子全体を結晶内に配置したり、結晶格子を新たに設計することができます。

変換ツール

  • Plot Range: 原子範囲を XYZ 方向にリアルタイムに制御
  • Spherical Cluster: 作成した「ナノ結晶」の内部と外部の半径をリアルタイムに制御
  • Cavity Finder: 作成した構造内の最大の空孔を適切なサイズの半透明の球で自動表示
  • 選択ツール (arrow/rectangle, lasso, polygon, zapper):構造内のグループの非表示や単離
  • 方位を指定した格子面による格子のスライス:サーフェスの表示
  • スラブ構造の作成:方位を指定した2つの格子面を使用
  • サーフェスセルの作成:指定した面に対して投影
  • スーパーセル:既存のセルの寸法の倍数を指定。
  • General Matrix Transformation とプリセット (菱面体から六方構造への変換等)
  • Discard Symmetry コマンド:作成した構造を維持するために新規サイトが追加されます。
  • Crystal-to-Molecule:結晶と分子の相互変換
  • Packing Explorer:インタラクティブな molecule-to-crystal コマンドで、対称性、セルの各種パラメータ、位置と方向の設定内容がリアルタイムに反映されます
  • 結晶格子内にある原子グループの移動と回転
  • 選択原子の複製
  • 原子タイプの変更 (元素記号、占有率):Selection インスペクターの使用による
  • 結晶内の特定の格子面に沿ってスペースを挿入
  • 格子のベンド (曲げ):原子を選択し、曲率半径を指定すると、簡単にナノチューブ (またはベント型シート) を作成できます。
  • 構造の補間:中間的な構造を追加して、構造のアニメーションの動きを滑らかにします。
図左:2つのシリコン結晶間の接合部分 (111 ドメインと 110 ドメイン)。
図右:2つの異なる構造を同じウィンドウ内で組み合わせてスケールを比較した例。

 

3D プリントとモデルのエクスポート

CrystalMaker のファイルエクスポートオプションに STL 3D 形式 (ほとんどの 3D プリンタでサポートされる形式) を選択すれば、作成した構造を 3D プリンタにプリントすることができます。また、いずれの構造も 3D グラフィックソフトウェアでのやり取りに最適な自己完結型の COLLADA 3D ファイルにエクスポートすることができます。作成した CrystalMaker の COLLADA ファイルはお持ちの iPad に表示させることも可能です。作成したファイルを iBooks Author (Mac app store で無償でダウンロード可能) にドロップするだけで iPad に公開できます。

CrystalMaker で作成した 3D モデルを iPad で表示した例。フリーの iBooks アプリを使用。いずれのモデルも、フルスクリーンにズームしてインタラクティブに回転させることができます。

 

回折機能のサポート

オプション製品 CrystalDiffract (粉末回折) と SingleCrystal (X 線、中性子、TEM の単結晶回折) を使えば、CrystalMaker に表示されている任意の結晶構造について回折パターンをメニューコマンドひとつでシミュレーションすることができます。CrystalMaker と SingleCrystal は相互にリンクするので、CrystalMaker で構造を回転させると、それに応じて回折パターンも変化します。新たに追加された “Live Powder Diffraction” モードを使えば、CrystalMaker で構造を編集すると、変更内容に応じて CrystalDiffract に表示される粉末回折パターンもリアルタイムに更新されます。

 

クロスプラットフォーム

CrystalMaker には Mac 版と Windows 版の 2 つのバージョンがあります。いずれも同一のバイナリファイルフォーマットを共有可能で、ほとんど同じ機能を備えているため、異なるプラットフォーム環境での共同作業も容易に行うことができます。