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計算材料科学スキル。pymatgen による結晶構造操作・対称性解析、 Materials Project API による材料データベース照会、 相図計算 (凸包解析)、電子バンド構造・状態密度 (DOS) 可視化、 VASP/Quantum ESPRESSO 入出力、高スループットスクリーニングパイプライン。
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| name | scientific-computational-materials |
| description | 計算材料科学スキル。pymatgen による結晶構造操作・対称性解析、 Materials Project API による材料データベース照会、 相図計算 (凸包解析)、電子バンド構造・状態密度 (DOS) 可視化、 VASP/Quantum ESPRESSO 入出力、高スループットスクリーニングパイプライン。 |
無機結晶材料を中心に、結晶構造操作・物性データベース照会・ 第一原理計算入出力・相安定性解析・電子構造可視化を提供する 計算材料科学パイプライン。
from pymatgen.core import Structure, Lattice
from pymatgen.symmetry.analyzer import SpacegroupAnalyzer
def create_crystal_structure(lattice_params, species, coords,
output_file="results/structure.cif"):
"""
pymatgen による結晶構造の生成と解析。
Parameters:
- lattice_params: (a, b, c, alpha, beta, gamma) or 3×3 matrix
- species: 元素リスト ["Si", "O", ...]
- coords: 分率座標 [[x,y,z], ...]
"""
lattice = Lattice.from_parameters(*lattice_params)
structure = Structure(lattice, species, coords)
sga = SpacegroupAnalyzer(structure, symprec=0.1)
print(f" Crystal structure:")
print(f" Formula: {structure.composition.reduced_formula}")
print(f" Space group: ()")
()
()
()
()
conventional = sga.get_conventional_standard_structure()
primitive = sga.get_primitive_standard_structure()
()
()
structure.to(filename=output_file)
structure, sga
():
sga = SpacegroupAnalyzer(structure, symprec=symprec)
symmetry_info = {
: sga.get_space_group_symbol(),
: sga.get_space_group_number(),
: sga.get_crystal_system(),
: sga.get_point_group_symbol(),
: sga.get_hall(),
: (sga.get_symmetry_operations()),
}
sym_struct = sga.get_symmetrized_structure()
wyckoff_sites = sym_struct.wyckoff_symbols
()
k, v symmetry_info.items():
()
()
symmetry_info
from mp_api.client import MPRester
import pandas as pd
def query_materials_project(formula=None, elements=None,
band_gap_range=None,
e_above_hull_max=0.025):
"""
Materials Project API による材料データベース照会。
検索条件:
- 化学式 (formula) — exact or reduced
- 構成元素 (elements) — 含む/排除
- バンドギャップ範囲 (band_gap_range) — eV
- 凸包上エネルギー (e_above_hull) — 安定性指標
"""
with MPRester() as mpr:
criteria = {}
if formula:
criteria["formula"] = formula
if elements:
criteria["elements"] = elements
docs = mpr.materials.summary.search(
**criteria,
energy_above_hull=(0, e_above_hull_max) if e_above_hull_max else None,
band_gap=band_gap_range,
fields=[
"material_id", "formula_pretty", "volume",
"density", "band_gap", "energy_above_hull",
"formation_energy_per_atom", "is_stable",
"symmetry", "nsites",
],
)
results = []
for doc in docs:
results.append({
"mp_id": doc.material_id,
"formula": doc.formula_pretty,
"space_group": doc.symmetry.symbol if doc.symmetry else None,
"band_gap_eV": doc.band_gap,
"e_above_hull_eV": doc.energy_above_hull,
"formation_energy_eV": doc.formation_energy_per_atom,
"density_g_cm3": doc.density,
"nsites": doc.nsites,
"is_stable": doc.is_stable,
})
df = pd.DataFrame(results)
print(f" Materials Project query:")
print(f" Found: {len(df)} materials")
if len(df) > 0:
print(f" Stable: {df['is_stable'].sum()}")
print(f" Band gap range: {df['band_gap_eV'].min():.2f}–{df['band_gap_eV'].max():.2f} eV")
return df
import numpy as np
import pandas as pd
def compute_phase_diagram(system_elements, output_file="figures/phase_diagram.png"):
"""
相図 (凸包) 計算。
凸包 (Convex Hull):
- 安定相: 凸包上の点 (e_above_hull = 0)
- 準安定相: 凸包上方の点 (e_above_hull > 0)
- 分解反応: 凸包上の隣接安定相への分解
"""
from mp_api.client import MPRester
from pymatgen.analysis.phase_diagram import PhaseDiagram, PDPlotter
with MPRester() as mpr:
entries = mpr.get_entries_in_chemsys(system_elements)
pd_obj = PhaseDiagram(entries)
print(f" Phase diagram: {'-'.join(system_elements)}")
print(f" Total entries: {len(entries)}")
print(f" Stable phases: {len(pd_obj.stable_entries)}")
for entry in pd_obj.stable_entries:
formula = entry.composition.reduced_formula
e_form = pd_obj.get_form_energy_per_atom(entry)
print(f" {formula}: ΔHf = {e_form:.4f} eV/atom")
# 可視化
plotter = PDPlotter(pd_obj)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=300, bbox_inches="tight")
return pd_obj
import numpy as np
def plot_band_structure(material_id, output_file="figures/band_structure.png"):
"""
電子バンド構造の取得と可視化。
- 高対称 k-path (Setyawan-Curtarolo 規約)
- バンドギャップ判定 (直接/間接)
- フェルミレベル基準
"""
from mp_api.client import MPRester
from pymatgen.electronic_structure.plotter import BSPlotter
with MPRester() as mpr:
bs = mpr.get_bandstructure_by_material_id(material_id)
if bs is None:
print(f" No band structure available for {material_id}")
return None
gap = bs.get_band_gap()
print(f" Band structure: {material_id}")
print(f" Band gap: {gap['energy']:.3f} eV")
print(f" Direct: {gap['direct']}")
print(f" Transition: {gap['transition']}")
plotter = BSPlotter(bs)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=300, bbox_inches="tight")
return bs
def plot_density_of_states(material_id, output_file="figures/dos.png"):
"""
電子状態密度 (DOS) の取得と可視化。
- Total DOS + projected DOS (元素分解)
- スピン偏極 (該当時)
"""
from mp_api.client import MPRester
from pymatgen.electronic_structure.plotter import DosPlotter
with MPRester() as mpr:
dos = mpr.get_dos_by_material_id(material_id)
if dos is None:
print(f" No DOS available for {material_id}")
return None
print(f" DOS: {material_id}")
print(f" Efermi: {dos.efermi:.3f} eV")
plotter = DosPlotter()
plotter.add_dos("Total", dos)
plotter.get_plot().savefig(output_file, dpi=300, bbox_inches="tight")
return dos
from pymatgen.core import Structure
def generate_vasp_inputs(structure, output_dir="vasp_inputs",
calculation_type="relaxation"):
"""
VASP 入力ファイル生成。
計算タイプ:
- relaxation: 構造緩和 (ISIF=3)
- static: 静的計算 (NSW=0)
- band: バンド構造 (ICHARG=11)
- dos: 状態密度 (LORBIT=11)
"""
from pymatgen.io.vasp.sets import (
MPRelaxSet, MPStaticSet,
)
import os
os.makedirs(output_dir, exist_ok=True)
if calculation_type == "relaxation":
vis = MPRelaxSet(structure)
elif calculation_type == "static":
vis = MPStaticSet(structure)
else:
vis = MPRelaxSet(structure)
vis.write_input(output_dir)
print(f" VASP inputs generated: {output_dir}")
print(f" Calculation: {calculation_type}")
print(f" Files: INCAR, POSCAR, POTCAR, KPOINTS")
return output_dir
def parse_vasp_output(vasprun_file="vasprun.xml"):
"""
VASP 出力 (vasprun.xml) の解析。
"""
from pymatgen.io.vasp.outputs import Vasprun
vr = Vasprun(vasprun_file, parse_dos=True, parse_eigen=True)
print(f" VASP output: {vasprun_file}")
print(f" Final energy: {vr.final_energy:.6f} eV")
print(f" Converged: {vr.converged}")
print(f" Band gap: {vr.get_band_structure().get_band_gap()['energy']:.3f} eV")
return vr
| ファイル | 形式 |
|---|---|
results/structure.cif | CIF |
results/materials_query.csv | CSV |
figures/phase_diagram.png | PNG |
figures/band_structure.png | PNG |
figures/dos.png | PNG |
vasp_inputs/ | VASP input set |
ToolUniverse SMCP 経由で利用可能な外部ツール。
なし — Materials Project API (mp-api) を直接利用。
| スキル | 関連 |
|---|---|
scientific-quantum-computing | 量子計算・VQE・量子化学 |
scientific-cheminformatics | 分子記述子・構造解析 |
scientific-publication-figures | 構造・相図可視化 |
scientific-materials-characterization | XRD・SEM・実験材料特性 |
pymatgen, mp-api, pandas, numpy, matplotlib
実験の監査レポート・データ来歴（プロベナンス）生成スキル。 データ変換履歴・使用ツールのバージョン・データ整合性チェックを 含むトレーサビリティレポートを自動生成する。 「監査レポート作成」「データ来歴を記録」「トレーサビリティ」で発火。
派生実験設計スキル。既存の実験をベースに条件を変更した派生実験を 設計する。実験計画法（DOE）に基づくパラメータ探索を支援。 「派生実験を設計して」「条件を変えて実験」「パラメータ探索」で発火。
実験テンプレート生成スキル。研究目的・仮説・手法・実験条件・評価基準・ スケジュールを構造化した実験計画書を自動作成する。 「実験テンプレート作成して」「実験計画を立てて」「実験プロトコルを作成」で発火。