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zcbot/skills/pymatgen/SKILL.md

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pymatgen 无机材料计算工具(晶体结构 I/O、XRD 模拟、相图、对称性、Materials Project 查询)。✅ 触发:用户问水泥熟料相 / 玻璃陶瓷物相 / 耐火砖矿物相、XRD 谱图反演与正向模拟、晶格参数、空间群、相稳定性、查 Materials Project 数据。⛔ 不触发:用户只问材料宏观性能(强度/导热),不涉及晶体结构;或属于有机分子/药物(那是 RDKit 范畴)。

Pymatgen

无机材料计算的核心库,服务建材院的水泥 / 混凝土 / 玻璃 / 陶瓷 / 耐火材料场景。离线计算在 sandbox 里用 pymatgen 官方 API;联网查 Materials Project 走 host-side tool。本 skill 提供一个轻量 helper:CEMENT_PHASES 常量(中文相名→化学式映射)。

⚠️ 配置条件:只有宿主后端配置了 MP_API_KEY 时,mp_search_summary / mp_get_structure / mp_get_entries 才会出现在可用工具列表里。没有这些 tool 时,Materials Project 联网查询不可用;离线全部正常:用户给 .cif / POSCAR → Structure.from_file() / SpacegroupAnalyzer / XRDCalculator(对已有 Structure)/ CEMENT_PHASES 查表 / 格式转换 / MPRelaxSet。要 mp 拿结构 → 让用户从 https://materialsproject.org 下个 CIF 丢 task 目录;不要脑补晶格 / 原子坐标。

何时用

  • 用户给晶体结构文件(.cif / POSCAR / .xyz)要分析
  • 要正向算 XRD pattern 跟实测谱对比
  • 要查某矿物相的空间群 / 晶格参数 / 配位环境
  • 要做凝胶相 / 水化产物的相图 / 稳定性分析
  • 要从 Materials Project 拉某化合物的已知结构 / 性质
  • 写 VASP / Gaussian / Quantum ESPRESSO 输入文件

何时不用

  • 用户只问宏观性能(28d 抗压、导热系数、热膨胀)→ 走 stats_ml(回归建模)
  • 用户问有机外加剂分子结构 → 走 RDKit(本仓库未集成)
  • 用户只要画图,没有晶体计算需求 → 走 plot_pub

准备

from skills.pymatgen.materials import CEMENT_PHASES
from pymatgen.core import Structure, Lattice, Molecule
from pymatgen.analysis.diffraction.xrd import XRDCalculator
from pymatgen.symmetry.analyzer import SpacegroupAnalyzer
from pymatgen.analysis.phase_diagram import PhaseDiagram, PDEntry

(import 路径走 run_python 注入的 PYTHONPATH,直接写)

关键:中文相名 → 化学式

CEMENT_PHASES dict 收了水泥 / 陶瓷 / 耐火 / 玻璃常见相的中英文 ↔ 化学式映射(见 materials.py)。用户用中文报相名时,先查这张表转化学式再喂 pymatgen / Materials Project:

用户原话 不要这样 这样
C3S Structure.from_file("C3S") 先 CEMENT_PHASES["C3S"] → "Ca3SiO5",再走 mp 查或自己拼
钙矾石(AFt) mp 直接搜 "AFt" CEMENT_PHASES["钙矾石"] → "Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O"
莫来石 mp 直接搜 "mullite" CEMENT_PHASES["莫来石"] → "Al6Si2O13"
方镁石 直接搜 "magnesite"(错,那是菱镁矿) CEMENT_PHASES["方镁石"] → "MgO"

表里没有的相,先英文学名 → 化学式后再喂,不要直接把中文丢给 mp。

Materials Project 接入(host-side tools)

API key 只在宿主后端读取,不要在 run_python 里读 env。可用 tool:

  • mp_search_summary(formula?, material_ids?, elements?, fields?, limit=10) —— 查 summary,返回裁剪 JSON
  • mp_get_structure(material_id, filename?) —— 把结构保存到 task_dir materials/*.cif,再用 Structure.from_file() 离线计算
  • mp_get_entries(elements, filename?, limit=200) —— 把 chemsys entries 保存到 task_dir materials/*.json

MP_API_KEY 没配 → 上述 tool 不会出现,告诉用户配置或手动从 Materials Project 下载 CIF。

典型工作流

A. 实测 XRD 比对(谁是这个峰)

  1. 用户给疑似相清单(中文 / 英文 / 简写都行)
  2. 各相分别:CEMENT_PHASES 查化学式 → mp_search_summary(formula=...) 找 material_id → mp_get_structure(material_id=...) 保存 CIF → XRDCalculator().get_pattern(structure) 算理论谱
  3. 把各相理论谱跟实测谱(用户给的 xy 数据)叠图(走 plot_pub)
  4. 报"x° 这个峰最可能是 C3S 的 (h k l) 衍射"
from pymatgen.analysis.diffraction.xrd import XRDCalculator

xrd = XRDCalculator(wavelength="CuKa")  # 默认 Cu Kα
# 先用 mp_search_summary / mp_get_structure tool 保存 CIF,再:
struct = Structure.from_file("materials/mp-xxxx.cif")
pattern = xrd.get_pattern(struct, two_theta_range=(5, 80))
# pattern.x = 2θ 列表, pattern.y = 强度, pattern.hkls = (h,k,l) 列表

B. 给定结构问对称性

from pymatgen.core import Structure
from pymatgen.symmetry.analyzer import SpacegroupAnalyzer

struct = Structure.from_file("path/to/sample.cif")
sga = SpacegroupAnalyzer(struct)
print(sga.get_space_group_symbol())   # 例 "P21/c"
print(sga.get_space_group_number())   # 例 14
print(sga.get_crystal_system())       # 例 "monoclinic"
prim = sga.get_primitive_standard_structure()  # 简约胞

C. 凝胶 / 水化产物相图稳定性

先用 mp_get_entries(elements=["Ca", "Si", "O", "H"]) 保存 JSON。第一版 host tool 的 entries JSON 主要用于审阅 / 归档;若要直接构造 PhaseDiagram,优先使用用户提供的本地 entry 数据或后续补一个专门的 host-side 相图 helper。不要在 sandbox 里绕过 tool 直接连 MP。

D. 格式转换(给计算所做 VASP 输入)

struct.to(filename="POSCAR")  # 自动按后缀写
struct.to(filename="output.cif")

反模式

  • 用户报中文相名(C3S / 钙矾石 / 莫来石)直接喂 mp / pymatgen,不查 CEMENT_PHASES —— mp 不认中文,简写也不认
  • 在 run_python 里直接用 MPRester / 读 MP_API_KEY —— key 不进 sandbox,联网查询走 host-side tool
  • 手写 CIF parser → 一律 Structure.from_file()
  • 不做 SpacegroupAnalyzer.get_primitive_standard_structure() 直接拿原胞做对称性比对(原胞可能是超胞,对称性少看出来)
  • 大 cutoff 邻居搜索(get_neighbors(r=20))—— 性能差,先 r=5 试
  • 编造 material_id / 化学式 —— mp 查不到就告诉用户"库里没收录",不要凭训练数据脑补
  • 自己写 INCAR(VASP 输入)—— 用 MPRelaxSet / MPStaticSet 拿 mp 验证过的参数
  • 把 pymatgen 算的理论 XRD 当实验值 —— 永远说清是"理论 pattern",实测有择优取向 / 仪器展宽差异

依赖

requirements.txt 加:

pymatgen>=2024.0
mp-api>=0.41.0

装:.venv/Scripts/pip install pymatgen mp-api

env

宿主后端配置:

MP_API_KEY=your_key_from_materialsproject_org

配置后重启 web,mp_* tools 才会注册。sandbox / run_python 不读取这个 key。