Avogadro là trình biên tập và trình trực quan hóa phân tử, và là một trong những công cụ phần mềm khoa học nguồn mở tiên tiến nhất. Nó có nhiều khả năng có thể hữu ích trong việc giảng dạy vì giáo dục có thể hiệu quả hơn nhiều khi lý thuyết được kết hợp với mô tả thực tế của các mô hình thực tế. Sau đây là hướng dẫn cơ bản về cách sử dụng Avogadro trong giáo dục. Xin lưu ý rằng tôi đang sử dụng bản phát hành ổn định mới nhất là phiên bản 1.1.1, nhưng cũng có phiên bản 2.0.7 là bản viết lại hoàn chỉnh của ứng dụng.
Như bạn có thể thấy, Avogadro đã tự động liên kết hai nguyên tử hydro với một nguyên tử oxy mà tôi đã thêm vào. Điều này là do tôi đã chọn tùy chọn "Adjust Hydrogens". Nếu bạn muốn làm việc với anion/cation, bạn nên bỏ chọn hộp này rồi có thể liên kết các nguyên tố đã thêm bằng cách nhấp chuột trái vào các nguyên tử đã thêm vào và kéo con trỏ đến một nguyên tử khác. Nhấp vào liên kết đã tạo sẽ thay đổi loại liên kết (đôi, ba, v.v.).
Nhấn F10 để vào chế độ Công cụ thao tác. Khi ở chế độ này, nhấp chuột phải sẽ cho phép bạn di chuyển chế độ xem, phóng to/thu nhỏ được thực hiện bằng cách sử dụng bánh xe chuột và có thể điều chỉnh chế độ xem bằng cách kéo các con trỏ trong vùng vẽ. Nhấp đúp vào phân tử sẽ tự động căn giữa chế độ xem trên đó.
Khi ở cùng chế độ, bạn cũng có thể kéo từng nguyên tử để thay đổi vị trí của chúng trong không gian.
Tuy nhiên, các nguyên tử tạo thành phân tử theo một cách cụ thể và tất cả các liên kết đều có khoảng cách và năng lượng cụ thể. Bạn có thể thiết lập chính xác những thông số này bằng cách sử dụng công cụ đo lường. Gọi nó bằng cách nhấn F12 rồi chọn ba nguyên tử với nguyên tử thứ hai là nguyên tử oxy vì điểm thứ hai đóng vai trò là điểm tham chiếu để đo góc.
Khoảng cách liên kết có vẻ dài hơn một chút so với thực tế, trong khi góc thì nhỏ hơn một chút so với mức cần thiết, nhưng chúng ta nằm trong phạm vi được chấp nhận cho mục đích giáo dục nên hãy tiến hành bước tiếp theo.
Để thể hiện rõ hơn, tôi sẽ sử dụng mô tả thế tĩnh điện trên hai phân tử. Vào bảng điều khiển trên cùng và điều hướng đến Extensions->Create Surfaces. Trên cửa sổ mở ra, chọn tùy chọn Electrostatic Potential trên menu “Color By” và nhấp vào nút “Calculate”.
Bây giờ rõ ràng là nguyên tử hydro của một trong các phân tử nước đang liên kết tĩnh điện với nguyên tử oxy của phân tử thứ hai. Điều này giúp học sinh hiểu được bản chất của các phân tử nước và lý do tại sao nước lại là chất hòa tan tốt như vậy.
Điều này có thể giúp học sinh hiểu rõ hơn về dạng mã di truyền của tất cả các sinh vật sống trên hành tinh.
Tải Avogadro
Mô hình hóa phân tử với Avogadro
Chúng ta hãy cùng xem xét quá trình xây dựng một phân tử nước để hiểu được ý tưởng đằng sau các kỹ thuật mô hình hóa được sử dụng trong Avogadro. Đầu tiên, nhấp vào nút "Element" ở bên trái và chọn tùy chọn "other" để mở bảng tuần hoàn các nguyên tố. Từ đó, bạn có thể nhấp vào bất kỳ nguyên tố nào rồi chèn nguyên tố đó vào không gian vẽ chỉ bằng cách nhấp vào bất kỳ điểm nào.Như bạn có thể thấy, Avogadro đã tự động liên kết hai nguyên tử hydro với một nguyên tử oxy mà tôi đã thêm vào. Điều này là do tôi đã chọn tùy chọn "Adjust Hydrogens". Nếu bạn muốn làm việc với anion/cation, bạn nên bỏ chọn hộp này rồi có thể liên kết các nguyên tố đã thêm bằng cách nhấp chuột trái vào các nguyên tử đã thêm vào và kéo con trỏ đến một nguyên tử khác. Nhấp vào liên kết đã tạo sẽ thay đổi loại liên kết (đôi, ba, v.v.).
Nhấn F10 để vào chế độ Công cụ thao tác. Khi ở chế độ này, nhấp chuột phải sẽ cho phép bạn di chuyển chế độ xem, phóng to/thu nhỏ được thực hiện bằng cách sử dụng bánh xe chuột và có thể điều chỉnh chế độ xem bằng cách kéo các con trỏ trong vùng vẽ. Nhấp đúp vào phân tử sẽ tự động căn giữa chế độ xem trên đó.
Khi ở cùng chế độ, bạn cũng có thể kéo từng nguyên tử để thay đổi vị trí của chúng trong không gian.
Tuy nhiên, các nguyên tử tạo thành phân tử theo một cách cụ thể và tất cả các liên kết đều có khoảng cách và năng lượng cụ thể. Bạn có thể thiết lập chính xác những thông số này bằng cách sử dụng công cụ đo lường. Gọi nó bằng cách nhấn F12 rồi chọn ba nguyên tử với nguyên tử thứ hai là nguyên tử oxy vì điểm thứ hai đóng vai trò là điểm tham chiếu để đo góc.
Khoảng cách liên kết có vẻ dài hơn một chút so với thực tế, trong khi góc thì nhỏ hơn một chút so với mức cần thiết, nhưng chúng ta nằm trong phạm vi được chấp nhận cho mục đích giáo dục nên hãy tiến hành bước tiếp theo.
Mô phỏng lực
Tôi đã thêm hai phân tử nước để mô phỏng liên kết được hình thành tự nhiên giữa chúng nhờ bản chất lưỡng cực của chúng. Nhấn nút "Công cụ tự động tối ưu hóa" ngay bên dưới menu trên cùng rồi nhấp vào nút "Bắt đầu" ở phía bên trái của giao diện để bắt đầu mô phỏng. Tôi đã sử dụng thuật toán "giảm độ dốc nhất", thuật toán này căn chỉnh hai phân tử như trong ảnh chụp màn hình bên dưới:Để thể hiện rõ hơn, tôi sẽ sử dụng mô tả thế tĩnh điện trên hai phân tử. Vào bảng điều khiển trên cùng và điều hướng đến Extensions->Create Surfaces. Trên cửa sổ mở ra, chọn tùy chọn Electrostatic Potential trên menu “Color By” và nhấp vào nút “Calculate”.
Bây giờ rõ ràng là nguyên tử hydro của một trong các phân tử nước đang liên kết tĩnh điện với nguyên tử oxy của phân tử thứ hai. Điều này giúp học sinh hiểu được bản chất của các phân tử nước và lý do tại sao nước lại là chất hòa tan tốt như vậy.
DNA/RNA
Một tính năng giáo dục hữu ích khác của Avogadro (thực ra là trong số hàng trăm tính năng) là tự động tạo ra các axit nucleic như DNA và RNA. Điều hướng đến Build->Insert->DNA/RNA... trên bảng điều khiển trên cùng và thêm trình tự của riêng bạn và nhấn nút “Insert” để chèn mô hình vào không gian bản vẽ.Điều này có thể giúp học sinh hiểu rõ hơn về dạng mã di truyền của tất cả các sinh vật sống trên hành tinh.
