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CrystalMaker 11.7 MOF オートメーション機能

CrystalMaker 11.7 で追加された MOF 自動化機能（MOF Automation） についてご紹介いたします。

MOF とは

MOF（Metal-Organic Framework：金属有機構造体） は、金属イオン（ノード）と有機配位子（リンカー）が連結してできた、内部に規則的な空孔（細孔）を持つ多孔性の結晶性材料です。ガス貯蔵・分離、触媒、センサーなどへの応用で注目されており、空孔のサイズや形状の可視化が構造理解の鍵になります。

CrystalMaker の MOF 自動化機能は、こうした MOF・ZIF（Zeolitic Imidazolate Framework）などの開放骨格構造の可視化を自動化する機能です。

機能の概要

アクセス方法

Transform > Automate サブメニューから利用します。このサブメニューは、従来からの Silicate Framework（ケイ酸塩骨格）や Molecular Centroids（分子重心）コマンドの新たな置き場所となり、あわせて今回2つの新コマンドが追加されました。

2つのコマンド

コマンド内容
Filled Rings（充填リング）有機環（リング）の重心（centroid）を検出し、カスタムの多面体表示へ自動的に切り替えます。
Filled Rings & Cavities（充填リング＆空孔）上記に加え、半透明の空間充填球（Space-Filling Sphere）をモデルに追加し、空孔の位置と大きさを示します。

自動化される処理

これらのコマンドは、従来は手作業で何ステップも要した煩雑な操作を自動で行います。具体的には：

  • 本来の原子をすべて ball-and-stick（ボール＆スティック）スタイルで表示
  • 環の重心原子を空白の原子スタイルかつ半透明の多面体（平面）として表示
  • 重心サイトを、赤→青へと昇順の色相で順番に色付け
  • 環の重心原子に出入りする結合（ボンド）を非表示に

空孔の可視化

Filled Rings & Cavities コマンドは、Michael O’Keeffe 氏らが旧バージョンの CrystalMaker を用いて広めた、古典的な「半透明の黄色い球」モデルを生成します。これにより、開放骨格材料における空孔のサイズを直接観察できます。

操作例：MOF 構造をダウンロードして可視化する

実際の MOF 構造データ（CIF ファイル）を入手し、CrystalMaker で可視化したうえで、新機能の自動化コマンドを適用する流れです。

ステップ 1：MOF 構造データ（CIF）を入手する

公開の MOF データベース MOFX-DB（Northwestern University） から CIF ファイルをダウンロードします。

  • サイト：https://mof.tech.northwestern.edu/
  • MOFX-DB は、構造指標（空隙率 void fraction、表面積、細孔径）やガス吸着等温線（N₂・CO₂・CH₄ など）、構成元素、出典データベース（CoREMOF・CSD・IZA など）でMOF を検索・絞り込みできます。
  • 目的の MOF を選び、ダウンロード機能で CIF ファイル（必要に応じて等温線データも）を取得します。
    • ※ 多数まとめてのダウンロードは時間がかかる旨の注意書きがあります。まずは1構造で試すのがおすすめです。

可視化に向く代表的な多孔性 MOF（例）： HKUST-1（Cu-BTC）、ZIF-8、MOF-5（IRMOF-1）など。大きな空孔（ケージ）を持つため、空孔可視化の効果が分かりやすい構造です。

ステップ 2：CrystalMaker で開く

  1. CrystalMaker を起動。
  2. File > Open からダウンロードした CIF ファイルを選択して開きます。
    • （形式を明示したい場合は File > Open with Format から CIF を指定）
  3. 単位格子内の MOF 構造が表示されます。必要に応じて、格子の範囲（レンジ）を広げて骨格のつながりを確認します。
図：HKUST-1（Cu-BTC）を CrystalMaker 11.7.1 で開いた例（CIF は MOFX-DB／公開リポジトリより取得）

ステップ 3：新機能（MOF 自動化機能）コマンドを適用する

Transform > Automate サブメニューから、目的に応じて次を実行します。

  1. Filled Rings（充填リング）
    • 有機環の重心を検出し、カスタム多面体表示へ自動切り替え。骨格を単純化して全体像を把握しやすくします。
  2. Filled Rings & Cavities（充填リング＆空孔）
    • 上記に加えて、半透明の空間充填球（Space-Filling Sphere）を空孔位置に追加。Michael O’Keeffe 流の「半透明の黄色い球」モデルで、空孔のサイズと位置を直接観察できます。
図：HKUST-1 に Filled Rings & Cavities を適用した例（半透明の黄色い球が空孔のサイズと位置を示す）

ステップ 4：表示を微調整する（任意）

  • Model インスペクターの Polyhedra グループで、多面体の辺の表示、面の不透明度（シースルー）、凸面／凹面の切り替えなどを調整。
  • 非常に大きなケージを持つ低密度構造（MOF・クラスレート等）では、凹面多面体で内部の曲面を強調すると見やすくなります。

⚠️ 空孔（cavity）が見つからない場合、Filled Rings & Cavities はエラー警告を表示します（11.7.1 での改善）。空孔が検出されない構造では、十分大きなケージを持つ MOF を選び直してください。

範囲を調整し、空孔の表示／非表示を切り替える（例：hMOF-9）

範囲（レンジ）を広げて複数の単位格子を表示し、Model インスペクターで空孔（Cav0／Cav1）の表示・非表示を切り替えると、細孔構造を多角的に把握できます。

① Set Range（範囲）で表示範囲を広げ、複数の単位格子にわたって空孔球を表示

② Model インスペクターで大きな空孔（Cav0）を非表示にした状態

③ Cav0 を再び表示した状態

④ Cav0・Cav1 の両方の空孔を表示し、細孔構造の全体像を把握

関連情報：

参考動画（開発元公式）