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《厦门大学》 2002年 硕士论文
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软件技术在碳纳米管及多环芳烃可视化计算中的应用

周天鸿  
【摘要】: 碳纳米管和多环芳烃(PAH)是结构化学的重要研究对象,从图论角度描述有机化学中多环芳烃的六角系统在近代得到了很大的发展,对六角系统的各种拓扑不变量和一些参数的计算已趋完善或正在逐步完善。但是随着所研究的六角系统(平面或立体)规模的增大,手工计算无疑已变得十分艰巨,甚至不可能胜任。在此同时计算机软硬件技术得到了飞速发展,为运行六角系统这样的有大量计算量的软件提供了软硬件基础。因此可利用这些软硬件技术设计一个辅助研究软件平台,为研究碳纳米管和大规模多环芳烃提供便利。 本文以图论与有机化学中相关的现有理论研究结果为基础,结合现代软件技术,将单壁碳纳米管上的Kekule结构计数转化为可直接在计算机上实现的算法:枚举法和Kasteleyn方法,它们可以处理任意螺旋度的单壁碳纳米管。运用Kasteleyn方法,能迅速地计算大规模的单壁碳纳米管上的Kekule结构数:而且可以对其进行三维立体仿真,对仿真图形可以从不同的角度进行观察、研究。本文还对多环芳烃的化学反应活性进行了可视化设计,主要是从k匹配数的角度进行分析。本文得出的相关结论与前线轨道法计算及实测结果是相吻合的。 本文提出的各种算法均已在《Hex_Nanotube》软件包中实现。整个软件的开发以现代软件工程思想为指导。 本文共分五个部分: 第一章 六角系统的图论基础和相关计算。介绍了六角系统的基础知识,包括六角系统的基本概念和性质,以及计算平面六角系统中Kekule结构数的两种方法:枚举法和公式法。本章也简要介绍了本文要解决的问题。 第二章 现代软件技术基础。介绍了本文所用到的各种软件技术的基础知识,包含对数据结构、算法设计、软件工程、数据库等软件技术的基本概念与理论。 第三章 单壁碳纳米管和富勒烯上的Kekule结构计数。本章详细介绍了单壁碳纳米管的数学模型和几何特征,对其上的Kekule结构计数提出了直接枚举法和Kasteleyn方法的可视化设计。接着,对单壁碳纳米管进行三维立体仿真,可根据需要对其从各个角度进行观察研究。同时,还介绍了一类特殊的富勒烯——C_X0上的Kekule结构计数。本章是全文的重点部分。 第四章 多环芳烃化学反应活性研究的可视化设计。对多环芳烃中单个原子的活性进行研究,对于去除该原子后剩余六角子系统的稳定性从k匹配数的角度进行分析。本章主要使用匹配多项式进行研究。 第五章 软件包的实现和功能。基于第三、四章中论述的各种算法,应用Borland C++ Builder 5.0开发环境,我们开发了一套六角系统(平面和立体)的可视化计算软件包:《Hex_Nanotube》。本章简要介绍该软件包的结构、软件模块功能及其使用方法。


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