☰

如何用 TeX 绘制纳米管？

tag-icon • tag-icon tikz-pgf pstricks
如何用 TeX 绘制纳米管？

我在纳米结构领域工作，必须绘制许多图形，例如： 在此处输入图片描述 在此处输入图片描述

答案1

这个怎么样：

\documentclass[parskip]{scrartcl}
\usepackage[margin=15mm]{geometry}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{3d}


\begin{document}

\pgfmathtruncatemacro{\tubelength}{5} % in "double hexagon lengths"
\pgfmathtruncatemacro{\tubecirumferenceatoms}{12} 
\pgfmathsetmacro{\tuberadius}{3}
\newcommand{\carboncolor}{red}
\newcommand{\bondcolor}{black}

\tikzset{yzplane/.style={canvas is yz plane at x=#1,very thin}}

\begin{tikzpicture}[x={(-0.2cm,-0.5cm)}, y={(1cm,0cm)}, z={(0cm,1cm)}]
\foreach \x in {1,...,\tubelength}
{ \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+0.5,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+1.5,\ycoord,\zcoord);
    }
    \begin{scope}[yzplane=\x*3+0.5]
        \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \shade[ball color=\carboncolor] (\y/\tubecirumferenceatoms*360:\tuberadius) circle (0.2) ;
    }
    \end{scope}

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordtwo}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordtwo}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotanglethree}{\y/\tubecirumferenceatoms*360-360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordthree}{cos(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordthree}{sin(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+1.5,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+2,\ycoordtwo,\zcoordtwo);
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+1.5,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+2,\ycoordthree,\zcoordthree);
    }
    \begin{scope}[yzplane=\x*3+1.5]
        \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \shade[ball color=\carboncolor] (\y/\tubecirumferenceatoms*360:\tuberadius) circle (0.2);
    }
    \end{scope}

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+2,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+3,\ycoord,\zcoord);
    }
    \begin{scope}[yzplane=\x*3+2]
        \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \shade[ball color=\carboncolor] (\rotangle:\tuberadius) circle (0.2);
    }
    \end{scope}

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordtwo}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordtwo}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotanglethree}{\y/\tubecirumferenceatoms*360-360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordthree}{cos(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordthree}{sin(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+3.5,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+3,\ycoordtwo,\zcoordtwo);
        \draw[thick,\bondcolor] (\x*3+3.5,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3+3,\ycoordthree,\zcoordthree);
    }
    \begin{scope}[yzplane=\x*3+3]
        \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \shade[ball color=\carboncolor] (\rotangle:\tuberadius) circle (0.2);
    }
    \end{scope}


}
\end{tikzpicture}

\end{document}

您可以修改一些内容：

  • 管的长度（4个原子的倍数）

  • 每圆上的原子数

  • 管半径

  • 原子的颜色

  • 债券的颜色

上述代码生成：

在此处输入图片描述

编辑1：如果你尝试改变设置，例如

\pgfmathtruncatemacro{\tubelength}{20} % in "double hexagon lengths"
\pgfmathtruncatemacro{\tubecirumferenceatoms}{20} 
\pgfmathsetmacro{\tuberadius}{4}
\newcommand{\carboncolor}{red!80!black}
\newcommand{\bondcolor}{blue!20!black}

你得到了这个，它看起来很“纳米管“：

在此处输入图片描述

编辑2：

  • “后面”的原子现在褪为白色，“后面”的键现在褪为灰色
  • 因为我不知道哪些原子会在后面（取决于你选择的 xyz 轴），所以我添加了一个键\initialrotationangle，可以将管子旋转那个角度，你必须自己找到一个合适的值
  • 之前，“键长”是一个静态值 1，这对于较小的半径来说看起来不太好，所以现在它是动态计算的（它不考虑圆柱体的曲率，因此对于非常小的值来说它可能看起来不太好\tubecircumferenceatoms）
  • 原子大小以前也是静态的，现在您可以将其指定为键长的分数。您可以将此分数设置为零，这样就只剩下“键网”，没有任何原子
  • 由于我无论如何都要计算键的坐标，所以我现在也要计算原子的坐标，因此3D如果TikZ
  • 您现在可以影响债券的外观，例如thin或dashed根据自己的喜好

这是新代码。我知道我有几个循环在运行\y，但我不能把所有东西都放在一个循环中，因为它们的顺序对于绘制前景和背景很重要。

\documentclass[parskip]{scrartcl}
\usepackage[margin=15mm]{geometry}
\usepackage{tikz}

\begin{document}

\pgfmathtruncatemacro{\tubelength}{10} % in "double hexagon lengths"
\pgfmathtruncatemacro{\tubecirumferenceatoms}{12} 
\pgfmathsetmacro{\tuberadius}{3}
\newcommand{\carboncolor}{red}
\newcommand{\bondcolor}{blue}
\pgfmathsetmacro{\initialrotationangle}{270}
\pgfmathsetmacro{\atombondlengthfraction}{0.2}
\newcommand{\bonddrawoptions}{thin}

\begin{tikzpicture}[x={(-0.2cm,-0.5cm)}, y={(1cm,0cm)}, z={(0cm,1cm)}, scale=0.5]
\foreach \x in {1,...,\tubelength}
{ \pgfmathsetmacro{\bondlength}{2*3.14159265*\tuberadius/sqrt(3)/\tubecirumferenceatoms}
    \pgfmathsetmacro{\atomradius}{\bondlength*\atombondlengthfraction}
    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360}
        \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathtruncatemacro{\shadingcolor}{50*cos(\rotangle+\initialrotationangle)+50}
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+0.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+1.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord);
        \shade[ball color=\carboncolor!\shadingcolor] (\x*3*\bondlength+0.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) circle (\atomradius*1cm) ;
    }

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {
        \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordtwo}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordtwo}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotanglethree}{\y/\tubecirumferenceatoms*360-360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordthree}{cos(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordthree}{sin(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathtruncatemacro{\shadingcolor}{50*cos(\rotangle+\initialrotationangle)+50}
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+1.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+2*\bondlength,\ycoordtwo,\zcoordtwo);
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+1.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+2*\bondlength,\ycoordthree,\zcoordthree);
        \shade[ball color=\carboncolor!\shadingcolor] (\x*3*\bondlength+1.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) circle (\atomradius*1cm);
    }

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathtruncatemacro{\shadingcolor}{50*cos(\rotangle+\initialrotationangle)+50}
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+2*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+3*\bondlength,\ycoord,\zcoord);
        \shade[ball color=\carboncolor!\shadingcolor] (\x*3*\bondlength+2*\bondlength,\ycoord,\zcoord) circle (\atomradius*1cm);
    }

    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    {   \pgfmathsetmacro{\ycoord}{cos(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoord}{sin(\y/\tubecirumferenceatoms*360)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordtwo}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordtwo}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\rotanglethree}{\y/\tubecirumferenceatoms*360-360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordthree}{cos(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordthree}{sin(\rotanglethree)*\tuberadius}
        \pgfmathtruncatemacro{\shadingcolor}{50*cos(\rotangle+\initialrotationangle)+50}
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+3.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+3*\bondlength,\ycoordtwo,\zcoordtwo);
        \draw[\bonddrawoptions,\bondcolor!\shadingcolor!gray] (\x*3*\bondlength+3.5*\bondlength,\ycoord,\zcoord) -- (\x*3*\bondlength+3*\bondlength,\ycoordthree,\zcoordthree);
    }
    \foreach \y in {1,...,\tubecirumferenceatoms}
    { \pgfmathsetmacro{\rotangle}{\y/\tubecirumferenceatoms*360+360/2/\tubecirumferenceatoms}
        \pgfmathsetmacro{\ycoordtwo}{cos(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathsetmacro{\zcoordtwo}{sin(\rotangle)*\tuberadius}
        \pgfmathtruncatemacro{\shadingcolor}{50*cos(\rotangle+\initialrotationangle)+50}
        \shade[ball color=\carboncolor!\shadingcolor] (\x*3*\bondlength+3*\bondlength,\ycoordtwo,\zcoordtwo) circle (\atomradius*1cm);
    }

}
\end{tikzpicture}

\end{document}

以下是一些示例：

在此处输入图片描述

还有债券：

在此处输入图片描述

相关内容