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はじめに
量子化学計算の結果を可視化したいとき、どんなツールを使っていますか？
多くの場合、GaussView や Avogadro、Molden などのデスクトップアプリケーションを使うことが多いと思います。しかし、これらは環境構築が必要だったり、OSが限定されたりと、手軽に使えるとは言い難い面もあります。
MOrbVis は、Molden 形式や Gaussian Cube 形式のファイルを読み込んで分子軌道の等値面を3Dで表示するツールです。ブラウザ上で動作するため、インストール不要ですぐに使い始めることができます。Windows 向けのデスクトップアプリも用意しています。
以下のURLからすぐに試せます：
ソースコードは GitHub で公開しています：
動画への書き出しもサポートしています：
主な機能
分子軌道の3D可視化
Molden ファイルや Cube ファイルを読み込むと、分子構造（Ball-and-Stick モデル）と分子軌道の等値面（正・負）が3Dで表示されます。マウスで回転・ズームしてさまざまな角度から確認できます。
電子密度の可視化
占有分子軌道から電子密度を計算し、等値面として表示できます。MO / 密度のタブで切り替え可能です。
断面図 (Cross-section)
XY / XZ / YZ 平面でのスカラーフィールドの2D断面をピクチャー・イン・ピクチャーで表示できます。バイリニア補間による高品質なカラーマップ描画、等値線の表示、断面上の原子位置の表示にも対応しています。
エネルギーダイアグラム
全分子軌道のエネルギー準位を棒グラフで可視化します。占有 / 非占有 MO の色分けや HOMO-LUMO ギャップの表示に対応しています。
MO 比較
2つの分子軌道を同時に表示して比較できます。選択中の MO はソリッド、比較対象はワイヤーフレームで表示されます。
描画のカスタマイズ
見た目を細かく調整できます。
- 等値面の値（Isovalue）: スライダーで等値面のしきい値を調整
- グリッド解像度: 計算の粗さ・細かさを変更
- レンダリングプリセット: Standard、Matte、Glossy、Glass、Toon、Minimal の6種類
- HQ モード: SSAO（Screen Space Ambient Occlusion）と Bloom エフェクトによる高品質レンダリング
- カラースキーム: 正・負の等値面の色を複数のパターンから選択
- 表面モード: Solid、Wireframe、Solid+Wire の3種類
- 背景色: カラーピッカーで自由にカスタマイズ可能
- ライト/ダークモード: UIの表示テーマを切り替え
分子表示のカスタマイズ
- 原子・結合サイズ: スライダーで調整可能
- 原子ラベル: 原子記号の表示/非表示
- 原子カラー: 周期表UIで各元素の表示色を個別にカスタマイズ可能
エクスポート機能
- PNG 保存: DPI スケール（1x〜4x）と透明背景オプションに対応。論文やプレゼン資料に使えます。
- バッチエクスポート: 複数の MO を一括選択し、各 MO の PNG 画像を ZIP アーカイブとしてダウンロード
- 動画録画: 3D ビューの自動回転を WebM 動画として録画。回転数・方向・速度を設定可能
- Cube ファイル出力: MO / 密度のスカラーフィールドを Gaussian Cube 形式でエクスポート
- STL 出力: 等値面メッシュをバイナリ STL で出力（3D プリント等に対応）
インタラクション
- 自動回転: 方向（CW/CCW）と速度を調整可能
- フルスクリーン: ワンクリックでフルスクリーン表示
- 原子間計測: 2点間距離（Å）や3点間角度（°）を計測
-
キーボードショートカット:
?でヘルプ表示、←/→で MO 切替、Spaceで HOMO にジャンプ
多言語対応
英語 / 日本語の2言語に対応しています。ヘッダーの EN/JA トグルで切り替えできます。
サンプル分子
48種類のサンプル Molden ファイルが組み込まれているため、手元にファイルがなくてもすぐに試すことができます。追加のサンプルファイルは GitHub の Releases ページからダウンロード可能です。
使い方
今すぐ試す
以下のURLからアクセスすれば、すぐに試せます：
Windows デスクトップアプリ
Windows 向けのインストーラを Releases ページで配布しています。ダウンロードしてインストールするだけで使えます。
ブラウザで使う（ソースから実行）
Node.js (v18以降) がインストールされている環境であれば、以下のコマンドで起動できます。
git clone https://github.com/Yasuaki-Ito/morbvis.git
cd morbvis
npm install
npm run dev
ブラウザで http://localhost:5173 を開くと、MOrbVis が起動します。
対応ファイル形式
Molden 形式
Molden 形式 は、分子の座標・基底関数・分子軌道係数をテキストで格納するフォーマットで、多くの量子化学プログラムが出力に対応しています。
対応が確認されているプログラム：
Gaussian Cube 形式
Gaussian Cube 形式は、3次元グリッド上のスカラーフィールドデータを格納するフォーマットです。Gaussian をはじめ、多くの量子化学プログラムが出力に対応しています。
なお、MOrbVis に同梱されているサンプルファイルは GANSU を使って作成したものです。
技術スタック
| 項目 | 技術 |
|---|---|
| UI | React + TypeScript |
| 3D 描画 | Three.js (React Three Fiber) |
| ポストプロセッシング | @react-three/postprocessing (SSAO, Bloom) |
| MO / 密度計算 | Web Worker による非同期処理 |
| 等値面抽出 | Marching Cubes |
| バッチエクスポート | JSZip |
| デスクトップ版 | Tauri (WebView2) |
計算処理は Web Worker で行うため、ブラウザがフリーズすることなく、計算の進捗がリアルタイムで表示されます。
おわりに
MOrbVis は BSD-3-Clause ライセンスで公開しています。
分子軌道を手軽に可視化したい方はぜひ試してみてください。
広島大学のコンピューティング関連分野で研究を行う研究者が情報を発信します． 主に，量子化学計算や数理最適化に関する技術や研究成果についての記事を掲載しています．
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