AIM-UC
Manual del programa de análisis de densidad de carga electrónica


Contenido


1 Introducción a AIM-UC


1.1 Acerca del programa

AIM-UC es un programa que realiza algunos gráficos relacionados con la teoría de Átomos en Moléculas (AIM por sus siglas en inglés) de Richard Bader, a partir de un mallado 3D de densidad de carga electrónica. Permite encontrar los puntos críticos de la densidad de carga electrónica y posicionar un plano en el espacio en donde se calcularán gráficos de alta calidad de la densidad de carga y su laplaciano, mapas de contornos, caminos de gradientes, grafos moleculares y líneas de límites atómicos. Programado completamente en C / C++, utilizando FLTK 1.x.x (una herramienta de interfaz gráfica de usuario) y OpenGl 1.3, como librerías externas. Fue desarrollado en el Laboratorio de Química Computacional de la Facultad de Ciencias y Tecnología (FACYT) de la Universidad de Carabobo. Financiado por el FONACIT a través del proyecto G-2005000424.

Por favor cite este artículo: D. Vega and D. Almeida, Journal of Computational Methods in Science and Engineering 14 (2014), 131-136. ➤➤➤

Autores:
David Vega M. Correo alterno: dvega68@yahoo.com
Daniel Almeida


1.2 Requisitos mínimos del programa

Los requisitos mínimos del programa son:
Sistema operativo: Windows, Ubuntu, Xubuntu y Centos.
Memoria RAM: 500 MB
Tarjeta gráfica: 128 MB


1.3 Instalación

Solo descargue el archivo aim-uc.v1.3.7z (Win32) o aim-uc64.v1.3.7z (Win64) y descomprímalo en algún directorio vacío. Puede crear un directorio “manual” dentro del directorio del ejecutable y descomprimir el archivo manual_aimuc_sp.7z en este último directorio.
Ahora disponible para Linux: Ubuntu 12.10, Xubuntu 12.10 y Centos 6.3.

NOTA: Todos los archivos están comprimidos en formato 7zip.


1.4 Licencia

Programa de uso y distribución gratuito.

No se ofrece ninguna garantía sobre este programa, en toda la extensión permitida por la legislación aplicable. El programa se proporciona “tal cual”, sin garantía de ninguna clase, bien expresa o implícita, con inclusión, pero sin limitación, de las garantías mercantiles implícitas o de la conveniencia para un propósito particular.

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2 Cargando los datos en el programa


2.1 Cómo cargar un archivo

Haga clic en la opción “File” del menú y luego haga clic en la opción “Open File”.

MENU FILE
A continuación aparecerá un Browser que le permite seleccionar el archivo de datos. En la versión actual puede seleccionar los siguientes tipos:

Dmol grid data: Archivo *.grd de Dmol3
Gaussian cube: Archivo cube de Gaussian
Gamess cube: Archivo *.dat de Gamess que contiene uno a más mallados
VASP CHGCAR: Archivo CHGCAR de VASP
AIMPAC wavefunction: Archivo *.wfn de AIMPAC
binary data: Archivos que contienen mallados en formato binario
OPEN FILE

Luego busque en el directorio adecuado el archivo en donde se encuentra el archivo, selecciónelo y a continuación presione el botón “OK”. Si el archivo no contiene las coordenadas de los átomos, entonces es recomendable leerlas desde otro archivo, los formatos aceptados son *.car, *.mol y *.xyz.

Una vez cargado el archivo, aparecerá la caja de límite del mallado junto con el plano en una posición por defecto (en el caso de del archivo de datos de la función de onda *.wfn, se dibuja una caja solo por compatibilidad con el resto de los archivos).


2.2 Modificando la posición del plano

Luego de haber cargado el archivo que contiene los datos del mallado y el archivo que contiene los datos de los átomos, se puede modificar la posición por defecto que trae el plano: Haga clic en la opción “Edit” del menú y a continuación haga clic en la opción “Plane Position”.

MENU EDIT

Aparecerá una ventana en donde podremos modificar las coordenadas x, y, z del origen y las coordenadas de los vectores que conforman el plano (Vector Positions). Otra manera de modificar las posición del plano en el espacio es seleccionando cualquiera de las 9 posiciones por defecto que trae el programa (Default Positions).

PLANE TOOLS

El programa trae la opción para rotar (Rotation) y trasladar (Translation) el plano usando como ejes (dirección, en el caso de trasladar) el vector normal al plano y vectores paralelos a los vectores que conforman el plano. Puede modificarse el ángulo de rotación (Angle, en grados) y la distancia a ser trasladado (step). Se puede cambiar las dimensiones del plano (Size) y también puede distorsionarse el plano (Shape), de forma que el ángulo entre los dos vectores sea diferente de 90°. Por último, existe un modo de selección (Plane from selected), en donde se seleccionan tres objetos, entre átomos y puntos críticos, y se construye un plano que contiene a los tres objetos, para iniciar el marcado, haga clic en “Selection mode”.


2.3 Creando el mallado del plano

Luego de haber posicionado el plano en la caja del mallado, procedemos a crear el mallado del plano que permitirá hacer los estudios pertinentes a la teoría AIM (mapas de contorno, puntos críticos en el plano, líneas de gradiente, grafo molecular y líneas de límites atómicos).

Para crear el mallado del plano, haga clic en la opción “Process” del menú y luego haga clic en la opción “Create Plane Grid”.

MENU PROCESS

Posteriormente aparecerá una ventana en la cual introducirá el número de intervalos del mallado. Luego presione el botón “Accept” para crear el plano.

CREATE PLANE

Se construyen dos planos, uno de la densidad de carga, y otro, con las mismas dimensiones, del laplaciano negativo de la densidad de carga, obtenido por métodos numéricos o analíticamente (para archivos *.wfn).

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3 Visualización en 2D


3.1 Creando el mapa topológico

Para crear el mapa topológico de densidad de carga electrónica haga clic en la opción “Process” del menú, y luego haga clic en la opción “Calculate Contour Map”.

Aparecerá una ventana en donde puede introducir los isovalores de densidad de carga que se quieren calcular. Después de colocar un isovalor, haga clic en el botón “add”. Si la opción “Laplacian” está marcada, entonces el contorno que se calculará es del laplaciano negativo en vez de la densidad de carga.

CONTOUR MAP

NOTA: el número máximo de isovalores que se pueden añadir es 50. Esta cantidad puede ser modificada cambiando los valores por defecto, esto se explica en la sección 5.

Para ver las curvas de contorno haga clic en la opción “View” y luego haga clic en la opción “Change Display”.

GHANGE DISPLAY

Así se puede ir visualizando los contornos añadidos.

EXAMPLE CONTOUR

NOTA: Si se cambian las dimensiones o la posición del plano, es necesario volver a crearlo y calcular nuevamente el mapa topológico.


3.2 Encontrando los puntos críticos

El programa encuentra los puntos críticos en el espacio definido por el mallado 3D y en el plano de densidad de carga electrónica.

Para buscar los puntos críticos en el mallado haga clic en la opción “Process” del menú, y luego haga clic en la opción “Find 3D Grid Critical Points”. Para los puntos críticos en el plano haga clic en la opción “Process”, y luego haga clic en la opción “Find Plane Critical Points”.

Una ventana aparecerá, y en ella se pueden modificar los valores de la densidad mínima, la densidad nuclear, el radio atómico mínimo y el factor de convergencia. Aunque el programa ya trae valores predeterminados, pueden ser fácilmente cambiados en dicha ventana. Posteriormente haga clic en el botón “Calculate” para encontrar los puntos críticos.

CRITICAL POINTS

Min. Density: Valor mínimo de la densidad de carga electrónica, no va a almacenarse un punto crítico cuya densidad sea menor que este valor.
Nuclear Density: Valor de densidad de carga electrónica, a partir del cual se comienza la búsqueda de puntos críticos máximos. Debido al rápido crecimiento de la densidad de carga electrónica en las cercanías de los núcleos, el elevado módulo del gradiente hace que falle el método de Newton-Raphson, por lo que se utiliza una búsqueda simple máximos en la grid, a partir de los puntos cuyo valor de densidad es mayor que “Nuclear Density”.
Min. Atom Radius: Si la distancia a un núcleo (o máximo) de un punto crítico, diferente de un máximo, es menor que este valor, entonces el punto crítico no se almacena. Esto previene que aparezcan puntos críticos falsos, producto de la oscilación del polinomio de interpolación en la cercanía de los núcleos.
Convergence: Criterio aplicado al gradiente para decidir si se trata o no de un punto crítico. El módulo del vector gradiente dividido por el valor de la densidad de carga, todo eso elevado al cuadrado, debe ser menor que el valor Convergence para que el punto sea considerado como punto crítico.

Información sobre los puntos críticos del mallado 3D puede guardarse en un archivo, haciendo clic en la opción “File” del menú y luego en la opción “Save Critical Points”.

NOTA: En el caso de la búsqueda 3D de puntos críticos en archivos *.wfn, el valor de “Nuclear Density“ no se utiliza. Esta búsqueda se hace a partir de los puntos medios de cada par, trío y cuarteto de átomos.


3.3 Calculando las líneas de gradiente

Para calcular las Líneas de gradiente haga clic en la opción “Process” y luego en la opción “Calculate Gradient Field”.

NOTA: para calcular las líneas de gradiente los puntos críticos del plano deben determinarse previamente.

Luego una aparecerá una ventana en donde podremos modificar los valores del radio, el número de líneas de gradiente y la distancia mínima. El programa trae valores por defecto, pero se pueden modificar. Después haga clic en el botón “accept”.

GRADIENT LINES

Radius: Distancia de los núcleos a partir de la cual se comenzarán a dibujar las líneas de gradiente.
Number of lines: Cantidad de líneas a ser dibujadas alrededor de cada átomo
Min. Distance: Distancia mínima entre dos puntos consecutivos de cada camino de gradiente (se utiliza el método de Runge-Kutta de cuarto orden, y se sigue el gradiente negativo)
Min. Density: En cada punto de los caminos de gradiente se evalúa la densidad de carga electrónica, y si es menor a este valor, no se continúa dibujando el camino.
EXAMPLE GRADIENT

3.4 Calculando el grafo molecular y las líneas límites de las regiones atómicas

Para calcular el grafo molecular y las líneas límites de las regiones atómicas haga clic en la opción “Process” y luego en la opción “Calculate Bond and Basin Paths”.

Aparecerá una ventana en donde podremos modificar el valor de la distancia mínima. Haga clic en el botón “Accept”.

GRAPHS

NOTA: Para calcular el grafo molecular y los límites de las regiones atómicas los puntos críticos del plano deben determinarse previamente.

NOTA: Antes de crear el grafo molecular es recomendable determinar los puntos críticos del mallado 3D de la manera en que se explica en la sección 3.2, esto corrige el grafo molecular, ocultando los caminos que no representan enlaces.

EXAMPLE GRAPHS

3.5 Calculando varios ítems

Con solo hacer clic en una opción se pueden calcular el plano, los puntos críticos, las líneas de Gradiente, el grafo molecular y las líneas límites de las regiones atómicas. Para ello haga clic en la opción “Process” y luego en “Processing all ¤ item”, luego de algunos segundos una ventana aparecerá indicándonos que los ítems mencionados anteriormente fueron calculados.

EXAMPLE ALL

3.6 Opciones de dibujos 2D

Para acceder a las opciones del dibujo en 2D hacemos clic en la opción “Edit” del menú y luego en la opción “2D Drawing Settings”.

Aparecerá una ventana con varias pestañas en donde podremos modificar varias de las características del dibujo.

3.6.1 Modificaciones generales

En la ventana “2D Drawing Settings”, en la pestaña “General Settings”), es posible modificar el color de fondo del dibujo (Background Color), el color del borde (Border Color), mostrar las etiquetas de los puntos críticos (Show point label) y cambiar el radio (Radius) y color de los diferentes puntos críticos en el plano: máximos (Max.), mínimos (Min.) y puntos de ensilladura (Saddle), también se decide si un punto se muestra o no (Show).

2D GENERAL SETTINGS

3.6.2 Modificar el mapa de contorno y las líneas de gradiente

En la pestaña “Contour and Gradient” se puede modificar las características del dibujo del mapa de contorno y líneas de gradiente.

2D CONTOUR SETTINGS

Al lado izquierdo de la ventana hay un recuadro que dice “Contour Map” allí se puede cambiar varias características como por ejemplo el tipo de línea, el color de la línea, el ancho de la línea y decidir si las líneas de contorno es mostrada o no o cual queremos borrar. Para hacer alguna modificación, puede hacerse de manera individual, es decir alguna de las líneas (seleccionando el isovalor adecuado en “Select Isoline”) o de manera grupal (seleccionando “ALL”). También se puede regresar las características de las líneas a sus valores predeterminados presionando el botón “Default”.

Luego de haber seleccionado un ítem en el menú desplegable “Select Isoline” y modificar alguna de las características, haga clic en el botón “Apply” para que los cambios tengan efecto.

NOTA: cuando la casilla “Laplacian” esta activada, podemos modificar las características del mapa de contorno del laplaciano negativo de la densidad de carga, siempre y cuando esté calculado.

En lado izquierdo hay un recuadro que dice “Gradient Path”, allí se puede hacer las modificaciones pertinentes seleccionando las líneas de gradiente del átomo que queremos cambiar. Haciendo clic en el menú desplegable “Select Atom” se puede elegir entre modificar las líneas de gradiente de un átomo en particular o todas las líneas del dibujo. Debe presionarse el botón “Apply” para que las modificaciones tengan efecto.

Presionando el botón “Recalculate”, puede modificarse todas las opciones explicadas en la sección 3.3, independiente para cada átomo.

3.6.3 Modificar el grafo molecular y las líneas límites de regiones atómicas

En la pestaña que dice “Bond Path and BasinBound” podremos modificar las características del dibujo del Grafo molecular así como también las líneas límites.

2D GRAPH SETTINGS

Al lado izquierdo de la ventana hay un recuadro que dice “Molecular Graph” allí podremos cambiar el tipo de línea, el color de la línea y decidir si la línea de enlace es mostrada o no. De lado derecho de la ventana tenemos el recuadro Basin Bounds, allí se pueden hacer las mismas modificaciones para las líneas límite. Para hacer alguna modificación podemos hacerla de manera individual en alguna de las líneas o en todas ellas, para ello hacemos clic en el menú de despliegue “Select Saddle Point” y allí nos mostrará todos los puntos Críticos de ensilladura de los cuales dependen ambos dibujos. También podemos regresar las líneas a sus valores predeterminados presionando el botón “Default”.

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4 Visualización en 3D


4.1 Gráfico 3D de la densidad en el plano

Haga clic en la opción “Process” del menú y después haga clic en “Generate 3D Density Drawing”.

Luego de algunos segundos aparecerá gráfico 3D de la densidad de carga electrónica.

EXAMPLE 3D DENSITY

Después, haga clic en la opción “Edit” del menú y luego en la opción “3D Drawing Settings ”.

3D SETTINGS

Aparecerá una ventana en donde se puede editar el valor mínimo y máximo del valor de la densidad en el dibujo. Así como también el color del fondo, la superficie y las líneas del dibujo 3D. Puede seleccionarse el espaciado entre las líneas de la superficie (Lines each, si el valor es 0 las líneas no se muestran).

NOTA: Si se crea el mapa topológico 2D o ya se ha creado previamente (consultar sección 3.1) y la casilla “Show Contour Map” está marcada, las isolíneas aparecerán en el dibujo 3D.

EXAMPLE 3D DENSITY
En “Palette Options”, puede leerse o crearse una paleta para colorear el dibujo según la densidad (eje z):

Number of Colors: Cantidad de colores en la paleta, el valor máximo es 32.
Color Number: Posición del color en la paleta.
Value: Valor de la densidad correspondiente a ese color.
Color: Botón para cambiar el color.
Factor: Valor por el cual se multiplica la densidad de carga antes de asignarle el color correspondiente en la paleta de colores.
Clear: Botón para limpiar la paleta.
Load: Botón para leer una paleta (un archivo en formato texto con extensión .rgb).
Save: Botón para guardar la paleta en un archivo.
Apply: Botón para colorear el dibujo.
Mix Colors: Si esta opción está seleccionada, los colores se mezclan haciendo una transición continua de un color a otro.

En el fondo a la izquierda de la ventana se mostrará la paleta de colores.

EXAMPLE 3D DENSITY

4.2 Gráfico 3D del laplaciano de la densidad en el plano

Haga clic en la opción “Process” del menú y luego en la opción “Generate 3D Laplacian Drawing”. Después, haga clic en la opción “Edit” del menú y luego en la opción “3D Drawing Settings”. Las opciones que se aplican para la densidad de carga electrónica, explicadas en la sección 4.1, también se aplican aquí.

EXAMPLE 3D LAPLACIAN

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5 Editando los valores por defecto

Haga clic en la opción “Edit” del menú y luego en la opción “Modify Default Settings”.

MENU EDIT

Una ventana aparecerá con los valores que el programa trae por defecto, puede editar esos valores colocando los que sean pertinentes.

DEFAULT SETTINGS

Los valores que puede modificar son el número de intervalos del plano, módulo relativo del gradiente, número de líneas de gradiente, radio atómico mínimo, distancia mínima del camino de gradiente, densidad mínima, densidad nuclear y número máximo de isovalores.

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6 Manipulación de los dibujos con el mouse

Con el mouse se pueden mover o escalar tanto los dibujos 2D como los 3D, y para estos últimos también existe la opción de rotarlos.

Para cambiar la acción de cada botón del mouse, haga clic en la opción “Edit” del menú y a continuación en la opción “Mouse Settings”.

MOUSE SETTINGS

Seleccione una de las opciones correspondientes a los botones del mouse (left, middle o right) y luego seleccione la acción (Action), entre “move”, “size” y “rotate”.

NOTA: Si se selecciona una acción que ya pertenece a otro botón del mouse, la acción del otro botón será eliminada.

Mover el dibujo:
Se sitúa el cursor sobre el dibujo, se presiona y se mantiene presionado el botón del mouse correspondiente a la acción “move”, y se arrastra hasta la posición que se quiera poner el dibujo.

Escalar el dibujo:
Se sitúa el cursor sobre el dibujo, se presiona y se mantiene presionado el botón del mouse correspondiente a la acción “size”, lo arrastramos hacia arriba para aumentar las dimensiones del dibujo o hacia abajo para disminuirlas.

Rotar el dibujo:
Se sitúa el cursor sobre el dibujo, se presiona y se mantiene presionado el botón del mouse correspondiente a la acción “rotate”, luego se arrastra el mouse en alguna dirección para rotar el dibujo. Esta opción no está disponible para dibujos 2D.

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7 Mostrando los dibujos


7.1 Cambiando el display

Si se han creado los dibujos 2D y 3D y se desean visualizar, hay una manera de alternar las vistas de estos dibujos, haga clic en la opción “View” del menú y luego en la opción “Change Display”. Cada vez que se hace clic en esa opción se alterna entre los dibujos 2D, 3D y de la caja del mallado 3D (con el plano y los átomos).


7.2 Opciones generales en los dibujos

Para cambiar estas opciones, haga clic en la opción “View” del menú y luego en la opción “View Settings”.

VIEW SETTINGS

Las opciones de reflejar (Reflect) y rotar (Rotate) tienen efecto en todos los dibujos, y puede utilizarse para voltear e invertir los dibujos 2D, en donde la rotación está deshabilitada. El botón “Reset view” restituye la rotación y la posición al valor que tiene cuando recién se habre el programa. El valor “Z scale” tiene efecto solo en gráficos de la densidad de carga electrónica y su laplaciano negativo.

Para los dibujos 3D, está la opción de iluminación. Los controles giratorios (vertical y horizontal) cambian la posición de la luz, mientras que los controles deslizantes “Shininess” y “Specular” controlan el brillo y reflexión de la luz sobre los objetos. Se puede eliminar los efectos de la iluminación (sombras, brillo y reflexión) deseleccionando la opción “Enable lighting”.

Para un dibujo 2D coloreado según la densidad de carga o su laplaciano, puede deseleccionarse la opción “Enable lighting” y presionar el botón “Reset view” y se obtiene un dibujo 2D.

EXAMPLE LAPLACIAN

7.3 Viendo los átomos, puntos críticos y el plano

Para cambiar las opciones en la pantalla donde aparecen los átomos y el plano, haga clic en la opción “View” del menú y luego en la opción “3D plane and points”.

VIEW 3D PLANE AND POINTS

Una ventana aparecerá y habrá una casilla check que dice “atoms”. Haciendo clic en esa casilla se puede seleccionar si deseamos mostrar o no los átomos, así como los diferentes tipos de puntos críticos: enlace (Bonds), Anillo (Rings) y Cajas (Cages).

Puede elegirse si se muestran o no las etiquetas de los puntos (Show point label) y se puede cambiar la resolución (Resolution) y la escala (Scale) de las esferas que representan los átomos y puntos críticos. El valor de la resolución va desde 1 hasta 100.

También puede elegirse si se muestra el plano (Show plane) y cambiarse el color del mismo.

NOTA: Los cambios en la resolución y la escala de las esferas y el color del plano, son permanentes.

EXAMPLE 3D POINTS

NOTA: El programa AIM-UC, genera el archivo “aim-uc.dat”, que contiene los colores de los átomos, tomados del programa Jmol y los radios atómicos en Angstroms, tomados del archivo “element.txt” del código fuente del programa Open Babel. Estos valores pueden modificarse en el archivo. Borrando este archivo se restituyen los valores por defecto.


7.4 Ocultar elementos en los dibujos

Si se desea ocultar en forma rápida el mapa de contorno, los puntos críticos, las líneas de gradiente, el grafo atómico o las líneas de regiones atómicas, haga clic en la opción “View” del menú y luego deseleccione la casilla check correspondiente al dibujo que deseamos ocultar:

Show Contour Map: Muestra el mapa de contorno, tanto el de densidad como el laplaciano, en dibujos 2D y 3D.
Show Critical Points: Muestra los puntos críticos en el dibujo 2D.
Show Gradient Path: Muestra el camino de gradiente en el dibujo 2D.
Show Bond Paths: Muestra el grafo molecular en el dibujo 2D.
Show Basin Bounds: Muestra las líneas de límites atómicos en el dibujo 2D.

NOTA: Estas opciones no afectan los dibujos EPS.

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8 Guardar un dibujo 2D en formato EPS

Si se desea guardar una imagen del dibujo 2D, haga clic en la opción “File” del menú y luego en la opción “Save EPS File”.

Luego aparecerá una ventana en donde podrá seleccionar el directorio de destino donde desea guardar la imagen. Colóquele un nombre a la imagen y luego presione el botón “Save”.

NOTA: En el dibujo en formato EPS saldrán aquellos ítems que se hayan calculado para el dibujo 2D (mapa de contorno, puntos críticos, líneas de gradiente, grafo molecular, líneas límites). Para saber cómo ocultar alguno de los ítems de tal forma que no salga en el dibujo EPS, consulte la sección 3.6.

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9 Guardar una captura de pantalla del programa

Si se desea guardar una imagen del dibujo que se muestra en la ventana gráfica, en formato PNG o BMP, haga clic en la opción “File” del menú y luego en la opción “Save Image”. Aparecerá una ventana en donde podrá seleccionar el directorio de destino donde desea guardar la imagen. Seleccione el tipo de imagen, introduzca el nombre de la imagen y luego presione el botón “Save”.

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10 Algunas capturas de pantalla


10.1 Posicionamiento del plano en tres átomos del etano

Se cargo un mallado de etano, se activaron la opción “Show point label” y la opción “Selection mode”, luego se seleccionaron los átomos C1, C2 y H3 (en amarillo):

EXAMPLE ETHANE

Se presionó el botón “Make Plane” para hacer un plano que contenga estos tres átomos:

EXAMPLE ETHANE 2

Utilizando las rotaciones, traslaciones y cambio de tamaño señaladas con flechas amarillas, se modificó la forma y posición del plano, pero aún contiene a estos tres átomos:

EXAMPLE ETHANE 3

Con la opción “Process” y “Processing all ¤ item”, se calculó el dibujo, los colores fueron modificados como se explica en la sección 3.6:

EXAMPLE ALL

10.2 Otras capturas de pantalla

Mapa de contornos de laplaciano de la densidad de carga electrónica (en negro) y límites atómicos (en azul) de la molécula de ácido carbónico:

EXAMPLE LAPLACIAN

Grafo molecular, límites atómicos y caminos de gradiente del ácido salicílico:

EXAMPLE SALICYLIC ALL

Laplaciano negativo de la densidad de carga electrónica del ácido salicílico:

EXAMPLE SALICYLIC LAPLACIAN

Menú “help” opción “About”:

ABOUT

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