使用 Mathematica 实现HOMO与LUMO轨道的3D同步可视化及自动排版保存

wxyhgk

先看效果:

计算数据整理成表格

优点：

• 分子同步转动，省去手动调节每个分子
• 排版一键完成，并且保存高清图片
• ppt 演讲的时候如果条件允许可以直接用 Mathematica 笔记本将更加清晰
  

测试平台：

• 系统：Ubuntu20.04 / win11 / MacOS 13.4
• CPU：AMD 5950x/i7-13700/苹果 M1
• Mathematica 13.3/Mathematica 14.0
  

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1. 需求

在化学反应研究中，最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的理解和分析至关重要。传统上，我们依赖 Gaussian09/16 软件来计算这些轨道数据，这一过程涉及将计算结果的 chk 文件通过 formchk 命令转换为 fchk 文件，再使用 cubegen 命令将 fchk 文件转化为 cube 文件，最后进行可视化处理。

然而，这一流程并不尽如人意，尤其是在需要同时处理多个分子的轨道数据时。每当需要统一调整多个分子的视角以保持一致性时，工作量急剧增加，手动调整变得异常繁琐。此外，完成这些步骤后，我们还需进行复杂的图像排版工作，这在处理大量分子时更是耗时耗

最近我在北京实习，用的服务器是某大学的集群，不能上网，Python 包安装起来也费劲，开始写的 Python 脚本，后来写的 shell 脚本，发现效果都让我不太舒服，因为最后都需要放到 ppt 里面，所以我索性，直接使用 Wolfram 语言解决，把排版也搞好，然后就能直接用了。

2. 解决

面对这些繁琐且耗时的步骤，我想到了一个高效且简洁的解决方案：结合 Mathematica 和 Gaussian 16，实现一键式分子轨道可视化和自动排版。


首先，我们继续利用 Gaussian 16 进行精确的轨道数据计算。接着，借助 Mathematica 强大的数据处理和图形展示能力，将这些复杂的数据转换成直观的3D图像。这一过程不仅简化了数据转换，还提高了整体的工作效率

接着我们在 PowerPoint 里面做好 ppt 模板，然后将这些图片直接拖入，免去每次都需要排班的麻烦

2.1 表格函数
https://www.123pan.com/s/U8JrVv-9Q6EH.html

使用方法：
step1：在电脑文件夹下面建立一个文件夹
setp2：将 Mathematica 的 nb 文件，所需的 log 文件，homo，lumo 的 cube 文件放入上面建立的文件夹当中
setp3：运行代码即可，然后运行代码，调整好视角后会自动保存在你这个文件夹里面

2.2 同步可视化排版函数

1. Clear["Global`*"]
   
2. (*设置nb文件所在的位置*)
   
3. SetDirectory[NotebookDirectory[]];
   
4. (*log文件*)
   
5. s0Log = "s0.log";
   
6. 
   
7. (*cube 文件*)
   
8. s0HomoCube = "s0_homo.cube";
   
9. s0LumoCUbe = "s0_lumo.cube";
   
10. s1HomoCube = "s1_homo.cube";
    
11. s1LumoCube = "s1_lumo.cube";
    
12. 
    
13. (*输出图片*)
    
14. s0HomoPic = "s0_homo.png";
    
15. s0LumoPic = "s0_LumoPic.png";
    
16. s1HomoPic = "s1_HomoPic.png";
    
17. s1LumoPic = "s1_LumoPic.png";
    
18. 
    
19. DynamicModule[{vp = {1.3, -2.4, 2.0}, vv = {0, 0, 1}},
    
20. logFun[file_] :=
    
21.   Import["s0.log", "GaussianLog"] //
    
22.    MoleculePlot3D[#, ViewPoint -> Dynamic[vp],
    
23.      ViewVertical -> Dynamic[vv], SphericalRegion -> True] &;
    
24. cubeFun[file_] :=
    
25.   Import[file, "Graphics3D", ContourStyle -> {Red, Blue},
    
26.    ViewPoint -> Dynamic[vp], ViewVertical -> Dynamic[vv],
    
27.    SphericalRegion -> True];
    
28. 
    
29. (*=== 定义分子模型图 ===*)
    
30. s03D = logFun[s0Log];
    
31. s0Homo = cubeFun[s0HomoCube];
    
32. s0Lumo = cubeFun[s0LumoCUbe];
    
33. s1Homo = cubeFun[s1HomoCube];
    
34. s1Lumo = cubeFun[s1LumoCube];
    
35. 
    
36. (*=== 创建组合图形布局 ===*)
    
37. (*定义一个应用样式的函数*)
    
38. styledText1[text_] :=
    
39.   Style[text, FontFamily -> "Times New Roman", FontSize -> 18];
    
40. styledText2[text_] :=
    
41.   Style[text, FontFamily -> "Times New Roman", FontSize -> 12];
    
42. (*应用样式到具体文本*)
    
43. 
    
44. s0Text = styledText1["s0"];
    
45. s1Text = styledText1["s1"];
    
46. homoText = styledText2["HOMO"];
    
47. lumoText = styledText2["LUMO"];
    
48. 
    
49. (* ===构建 combinedGraphics ===*)
    
50. combinedGraphics = Grid[
    
51.    {{s03D, s0Homo, s0Text, s0Lumo, s1Homo, s1Text, s1Lumo},
    
52.     {" ", homoText, " ", lumoText, homoText, " ", lumoText}},
    
53.    Alignment -> Center, Spacings -> {1, 0.3},
    
54.    Dividers -> {{{False, True, False, False, True, False, False},
    
55.       False}}, FrameStyle -> Directive[Dashed]];
    
56. 
    
57. (*=== 动态面板 ===*)
    
58. Panel@Column[{
    
59.     Dynamic@combinedGraphics,
    
60.     Button["Save",
    
61.      Export[s0HomoPic, s0Homo, Background -> None];
    
62.      Export[s0LumoPic, s0Lumo, Background -> None];
    
63.      Export[s1HomoPic, s1Homo, Background -> None];
    
64.      Export[s1LumoPic, s1Lumo, Background -> None];
    
65.      Export["s0s1_homolumo.png", combinedGraphics, "PNG",
    
66.       Background -> None];
    
67.      Method -> "Queued"]}]]
    

复制代码

使用方法和步骤 2.1 中的相同

当然很多论文中有那种 HOMO 在下面， LUMO 在上面的那种能级图，通过修改我上面的代码，也可以实现这一点，省去手动排班的麻烦，此外 Gap 还能直接通过计算相应的文件得到，无需自己手动排版，用 excel 计算等各种麻烦的操作。

3. 其他

使用 Mathematica 还有一个好处就是,无需每次都重新打开重新载入,因为一旦运行成功后,以后每次打开都能自己随意调整视角什么的,同时还能做其他的数据分析,偶极矩,发光光色,弗朗克-康登原理,分子静电式的可视化和排版等等

1. (* === 1. 定义文件路径 === *)
   
2. path1 = "http://pic.wxyh.top/C3H4O2-esp.cube"; (*导入esp.cube文件的路径*)
   
3. path2 = "http://pic.wxyh.top/C3H4O2-Potential.cube"; (*导入Potential.cube文件的路径*)
   
4. 
   
5. (* === 2. 导入体积数据 === *)
   
6. espCube = Import[path1, "VolumetricData"]; (*导入esp.cube文件*)
   
7. potentialCube = Import[path2, "VolumetricData"]; (*导入Potential.cube文件*)
   
8. 
   
9. (* === 3. 获取数据信息 === *)
   
10. espData = espCube["Data"]; (*从esp.cube文件中提取数据*)
    
11. potentialData = potentialCube["Data"]; (*从Potential.cube文件中提取数据*)
    
12. dataRange = espCube["DataRange"]; (*获取数据的范围*)
    
13. 
    
14. (* === 4. 处理数据 === *)
    
15. espDataNormal = Normal[espData]; (*将espData数据标准化*)
    
16. potentialDataNormal = Normal[potentialData]; (*将potentialData数据标准化*)
    
17. 
    
18. (* === 5. 绘图 === *)
    
19. mole = Import[path1, "Molecule"]; (*导入分子数据*)
    
20. 
    
21. moleplot = MoleculePlot3D@mole; (*生成分子模型*)
    
22. surface = ListContourPlot3D[espData[[1]], Contours -> 0.03 {-1, 1}, DataRange -> dataRange] // DiscretizeGraphics; (*生成等值面*)
    
23. 
    
24. potentialPlot = ListSliceDensityPlot3D[potentialData[[1]], surface, DataRange -> dataRange,
    
25.   ColorFunction -> ({Opacity[0.8], Blend["M10DefaultDensityGradient", #1]} &), PlotLegends -> Automatic]; (*生成静电势图*)
    
26. 
    
27. Show[moleplot, potentialPlot] (*显示分子模型和静电势图*)

复制代码

shuiningzhu

接触了十年的Mathematic，总以为用处不大，今天终于有用了

abin

我认为
Mathematica
应该列为，理工科，尤其是工科学生的必修课或者选修课，
而不是追求高数中的解题技巧。