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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

作　者: 周天鸿
导　师: 林成德
学　校: 厦门大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 单壁碳纳米管（SWNT) 多环芳烃（PAH) 六角系统 Kekule结构匹配多项式
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

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。

全文目录

前言  7-9
第一章六角系统的图论基础和相关计算  9-15
  1．1 由多环芳烃（PAH）到六角系统的抽象  9
  1．2 六角系统的图论基础  9-10
  1．3 六角系统的相关定义  10-11
  1．4 Kekule结构数的计算  11-14
    1．4．1 枚举法  11-13
    1．4．2 公式法  13-14
  1．5 本文的主要计算工作  14-15
    1．5．1 单壁碳纳米管（SWNT）上的Kekule结构计数  14
    1．5．2 平面六角系统的匹配多项式的计算  14-15
第二章软件技术基础  15-21
  2．1 数据结构  15-16
    2．1．1 逻辑结构  15-16
    2．1．2 物理结构  16
  2．2 算法和算法分析  16-17
  2．3 软件工程  17-19
    2．3．1 软件工程的目标和原则[22]  17
    2．3．2 软件工程提出的开发模式[23]  17-18
    2．3．3 面向对象的软件设计  18-19
  2．4 数据库技术  19-21
    2．4．1 数据管理技术的发展和数据库技术的优点  20
    3．4．2 本软件中所用到的数据库技术  20-21
第三章单壁碳纳米管和富勒烯上的Kekule结构计数  21-38
  3．1 纳米科技与碳纳米管概述  21
  3．2 Kekule结构的重要性  21-22
  3．3 SWNT的数学模型及几何特征  22-26
    3．3．1 SWNT在平面六角系统上的表示  22-24
    3．3．2 SWNT及其自然表示H_c~（nat）的几何特征  24-26
  3．4 Kekule结构与完美匹配  26
  3．5 关键数据结构的设计与实现  26-28
  3．6 枚举法计算单壁碳纳米管上的Kekule结构  28-30
  3．7 一类特殊富勒烯上的Kekule结构计数  30-31
  3．8 Kasteleyn方法计算SWNT上的Kekule结构  31-35
    3．8．1 Kasteleyn方向的定义[45]  32
    3．8．2 构造Kasteleyn方向的方法  32-33
    3．8．3 Kasteleyn方法的算法描述  33
    3．8．4 Kasteleyn方法的算法实现  33-35
  3．9 SWNT上Kekule结构计数的系统流程分析  35-37
    3．9．1 系统的流程  35-36
    3．9．2 单壁碳纳米管的选取  36-37
    3．9．3 立体仿真  37
    3．9．4 Kekule结构数的计算  37
  3．10 结论  37-38
第四章多环芳烃化学反应活性研究的可视化设计  38-49
  4．1 图与化学反应活性研究[46]  38
  4．2 匹配多项式基本理论[47，48]  38-39
  4．3 化学反应活性与匹配多项式之间的关系  39-41
  4．4 历史上计算匹配多项式的算法  41
  4．5 枚举法计算匹配多项式的算法实现  41-45
    4．5．1 枚举法的算法描述  42
    4．5．2 枚举法的具体实现  42-44
    4．5．3 一个具体的实例  44-45
  4．6 新算法的探索  45-49
第五章软件包的实现  49-57
  5．1 软件包的结构和特点  49-51
  5．2 软件界面  51-52
  5．3 六角系统的输入  52-53
  5．4 Kekule结构数的计算  53-55
    5．4．1 平面六角系统上Kekule结构数的计算  53
    5．4．2 单壁碳纳米管上Kekule结构数的计算  53-54
    5．4．3 C_X0上Kekule结构数的计算  54-55
  5．5 LMCC的计算[55，56]  55-56
  5．6 匹配多项式的计算  56-57
结束语  57-58
参考文献  58-61
致谢  61

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