tda-segmentor: 一种提取和分析多孔材料局部结构与孔隙特征的工具

多孔材料的局部几何特征，如孔隙的形状和大小或固体韧带的曲率，通常会影响材料的宏观性质，对其表征是充分理解结构-性能关系所必需的。在本文中，我们提出了一种将大型多孔结构自动分割成这些局部特征的方法。我们的工作借鉴了拓扑数据分析（TDA）中的技术。特别地，利用Morse理论，我们生成结构的Morse-Smale复形（MSC），将结构和/或其孔隙度分割成可比较的单个特征。我们开发了一个基于拓扑工具包（TTK）库的工具，TTK是一个用于标量数据拓扑分析的开源平台，我们可以用它来执行这些结构的分割。我们的工具以体素网格表示为输入，该表示可以从原子或网格结构模型以及定义在该网格上的任何函数（例如到表面的距离或与探针的相互作用能）生成。我们通过两个例子展示了该工具的适用性：沸石材料中的孔隙度分析以及多孔金属结构中的韧带分析。具体来说，通过分割结构中的孔隙，我们展示了在沸石中的一些应用，例如评估结构之间的孔隙相似性，或评估可吸附到其表面的目标分子（如甲烷）的可及体积。此外，一旦生成MSC，我们可以构建空隙空间的图表示，用单连通图替换整个孔隙结构。类似地，相同的工具用于分割和生成表示固体结构的图，并展示了如何利用它们关联材料的结构和力学性能。