Еще недавно большинство новых материалов открывалось научным сообществом случайно или же методом проб и ошибок. Сегодня задача теоретического предсказания строения и свойств новых кристаллических материалов становится особенно актуальной. Так, учеными Южно-Уральского государственного университета разработана методика предсказания кристаллических структур веществ, в основе которой — применение эволюционных алгоритмов. Разработки могут найти применение в практическом материаловедении, а в дальнейшем – и в производстве инновационных материалов 21 века.
Исследование отмечено грантом конкурса «Вперед к открытиям — 2017». Его руководителем является доктор химических наук, профессор Екатерина Барташевич. Автор проекта, студент кафедры «Теоретическая и прикладная химия» Института естественных и точных наук ЮУрГУ Александр Дьяков рассказал о возможностях новой методики.
«Мы начали работу над этим проектом в 2016 году совместно с доктором химических наук, профессором Университета Центральной Флориды Артёмом Масуновым. По результатам этой работы в журнале AIP's Journal of Chemical Physics, входящем в базу данных Web of Science, была опубликована научная статья. Та методология, которую мы использовали, была применена при моделировании другого кристалла (3-гидрокси-2-иодопиридин). Работа осуществлялась с помощью программы USPEX, которая представляет собой эволюционный алгоритм, генерирующий кристаллические структуры».
.jpg)
Структурообразующие нековалентные взаимодействия в кристалле 3-гидрокси-2-иодопиридина
Свойства молекул описывает силовое поле
Программой было создано 135 предполагаемых структур. Из них только одна совпала с экспериментом. Следует отметить, что алгоритм крайне эффективен в предсказании других кристаллов. Перед учеными стояла задача детально проанализировать выходные данные программы, в том числе геометрию 135 структур и закономерности укладки молекул, чтобы скорректировать методологию предсказания кристаллической структуры.
«В результате нами было подобрано силовое поле, представляющее собой набор параметров, состоящий из равновесных значений длин связей, валентных углов, силовых констант и некоторые других. Далее мы применяли его при работе со следующей молекулами (ряд трииодбензолов). Сравнение с экспериментом показало, что в этом случае совпадений больше. Другими словами, мы с большей вероятностью получаем структуры, схожие с экспериментом. В этом заключалась задача нашего проекта — посмотреть, как силовое поле будет работать в предсказании других кристаллов, — подчеркивает Александр Дьяков. — Если мы правильно поняли, как работает алгоритм и какие параметры необходимы, чтобы воспроизвести структурообразующие взаимодействия в кристаллических структурах, то мы можем говорить, что добились успеха».
.jpg)
Кристаллическая упаковка 1,3,5-трииодбензола со структурообразующими галогенными связями
Новые возможности — теоретические предсказания и сужение круга поиска новых материалов
Силовое поле, созданное учеными, позволяет воспроизводить определенный тип взаимодействия молекул кристалла. Так, оно может быть использовано при работе с другими молекулами, в которых воспроизводится, например, галогенное взаимодействие. В зависимости от упаковки молекул будут по-разному проявляться полезные свойства структур, и в этом заключается практическая значимость исследования.
«Актуальна задача предсказания кристаллической структуры материалов с нелинейно-оптическими свойствами, зависящими от того, как уложены молекулы в кристалле. Если нам нужен какой-либо материал с нелинейно-оптическими свойствами, мы можем предсказать его кристаллическую структуру, на ее основе проверить, обладает ли теоретически предсказанная структура нужным свойством или нет. Это менее дорогостоящий процесс, чем экспериментальное определение».
Силовое поле, созданное учеными Института естественных и точных наук, позволяет описать какую-либо молекулу с точки зрения ее электронных свойств, взаимодействия с окружением и др. Алгоритм программы USPEX, предсказывая кристаллическую структуру определенного соединения, будет использовать набор параметров этого силового поля. Разработки могут найти применение в практическом материаловедении, где необходимо подбирать вещество с заданными свойствами, и позволят существенно сузить круг поиска.