Kristályszerkezet előrejelzés

A kristályszerkezet előrejelzése (PCS) egy olyan anyag kristályszerkezeti paramétereinek előrejelzése, amelyek kristályait nem vizsgálták kísérleti számítási módszerekkel az első elvektől . A vegyületek kristályszerkezetének molekulaszerkezetük alapján történő előrejelzésére megbízható módszerek kidolgozása az 1950-es évek óta a fizikai tudomány egyik legfontosabb feladata [1] . Különféle számítási módszereket használnak a probléma megoldására , például szimulált lágyítást , evolúciós algoritmusokat , elosztott többpólusú elemzést , véletlenszerű mintavételt, véletlenszerű leszármazást , adatbányászatot , sűrűségfunkcionális elméletet és molekuláris dinamikát [2] .

Történelem

Az egyszerű ionos kristályok kristályszerkezetét a 20. század első felében tanulták meg finomítani a Linus Pauling által 1929-ben javasolt szabályok alapján [3] . Ezeket a szabályokat kiterjesztették a fémek és félvezetők vegyértékelektron-koncentrációjára. Az előrejelzés és a finomítás azonban nagyon különböző dolog. A kristályszerkezet előrejelzését leggyakrabban az atomok (vagy molekuláris kristályok esetében a molekulák) térbeli elrendeződésének minimális energiájának kereséseként értik. A problémának két aspektusa van - kombinatorikus (a „keresés” problémája, a gyakorlatban a szervetlen kristályok esetében a legégetőbb) és az energia (az „osztályozás” problémája, a legrelevánsabb a molekuláris szerves kristályok esetében). Az összetett, nem molekuláris kristályok (a „keresési probléma”) esetében a legjobb eredményeket a metadinamika Martonak-féle változata [4] [5] , a véletlenszerű keresési módszer ab initio [6] és az Oganov -Glass evolúciós USPEX algoritmus alkalmazásával érik el. [7] . Az utóbbi két módszer több száz szabadságfok pontossággal képes megoldani a globális optimalizálási problémákat, míg a metadinamikus algoritmusok lehetővé teszik az összes strukturális változó egy kis mintájára „lassú” általánosított változókra redukálást, ami gyakran stabil megoldáshoz vezet.

Molekuláris kristályok

A szerves kristályszerkezetek előrejelzése fontos feladat mind az alap-, mind az alkalmazott tudomány számára, különös tekintettel az új gyógyszerek és pigmentek előállítására , ahol a szerkezetek polimorfizmusa alapvető fontosságú. A molekuláris anyagok, különösen a szerves vegyületek kristályszerkezetét nagyon nehéz megjósolni és stabilitás szempontjából osztályozni. Az intermolekuláris kölcsönhatások viszonylag gyengék, nem irányítottak és hosszú távúak [8] . Ez e vegyületekre jellemző kristályrács kialakulásához vezet, és a különböző polimorf formák szabad energiájában igen csekély eltérés (gyakran csak néhány kJ/mol és nagyon ritkán haladja meg a 10 kJ/mol értéket) [9] . A kristályszerkezet-előrejelzési módszerek gyakran lehetővé teszik számos lehetséges struktúra megtalálását ezen a kis energiatartományon belül. Az ilyen kis energiakülönbségeket nehéz megjósolni nagyfokú megbízhatósággal és ésszerű számítási erőforrásokkal.

2007 óta jelentős előrelépés történt a kis szerves molekulák PCD-jének területén, számos különböző módszer bizonyult hatékonynak [10] [11] . A legszélesebb körben tárgyalt módszer az összes lehetséges kristályszerkezet energiájának kezdeti kiszámítása és osztályozása szelektív molekuláris mechanikai erőtér segítségével, majd ezt követi a diszperziókorrigált DFT alkalmazása az egyes jelölt szerkezetek rácsenergiájának és stabilitásának értékelésére [12]. . A kristályszerkezetek előrejelzésére tett újabb kísérletek a szerves kristályok szabad energiájának becslésére vonatkoztak a hőmérsékleti hatások és az entrópia beépítésével, rezgésanalízis vagy molekuláris dinamika segítségével. [13] [14]

PCS szoftver

A következő kódok lehetővé teszik egy adott kémiai összetétel stabil és metastabil szerkezetének előrejelzését különböző külső körülmények (nyomás és hőmérséklet) mellett:

• USPEX archiválva : 2021. május 15. a Wayback Machine  -nél – több módszerrel működő, többfunkciós szoftver, beleértve az evolúciós algoritmust és egyéb módszereket (véletlenszerű mintavétel, evolúciós metadinamika, javított részecskerajzás (MPS), változócellás módszer rugalmas rugalmas szalaghoz fázismechanizmusokhoz átmenetek). Használható atomi vagy molekuláris kristályokhoz; ömlesztett kristályok, nanorészecskék, polimerek, felületi rekonstrukciók; optimalizálhatja az energiát és más fizikai tulajdonságokat. Egy adott összetétel szerkezetének megtalálása mellett lehetőség van az összes stabil összetétel meghatározására egy többkomponensű változó összetételű rendszerben. Akadémiai kutatók számára ingyenes. Több mint 4500 kutató használja világszerte. Rendszeresen frissítve.
• CALYPSO Archiválva : 2020. június 9. a Wayback Machine -nél  – Részecskeraj-kristályszerkezet-elemzés a kristályszerkezet azonosításához/meghatározásához. Más kódokhoz hasonlóan a szerkezeti adatok is felhasználhatók többfunkciós anyagok (pl. szupravezetők, termoelektromos anyagok, szuperkemények, energiaanyagok stb.) fejlesztésére. Akadémiai kutatók számára ingyenes. Rendszeresen frissítve.
• XtalOpt Archivált 2010. június 15-én a Wayback Machine -nél  egy evolúciós algoritmus nyílt forráskódú megvalósítása. Utolsó frissítés 2011.
• A GULP archiválva 2020. június 9-én a Wayback Machine -nél  egy olyan csomag, amely a Monte Carlo-módszert és az atomkristályok genetikai algoritmusait valósítja meg. A GULP klasszikus erőtereken alapul, de sokféle erőtérrel működik. Akadémiai kutatók számára ingyenes. Rendszeresen frissítve.
• A GASP archiválva : 2019. január 18. a Wayback Machine -nél  – a kristályok, molekulák, atomi klaszterek és hibák stabil és metastabil fázisainak szerkezetét és összetételét az első alapelvek alapján jósolja meg. Párosítható más energiakódokkal, mint például: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx stb. Ingyenesen használható és rendszeresen frissítik.
• AIRSS archiválva 2020. október 25-én a Wayback Machine -nél – Ab initio véletlenszerű struktúrakeresés sztochasztikus konfigurációs términtavételen alapuló, szimmetria, kémiai és fizikai korlátok használatának lehetőségével. Tömeges kristályok, kis dimenziós anyagok, klaszterek, ponthibák és interfészek tanulmányozására használják. GPL2 licenc alatt jelent meg. Rendszeresen frissítve.
• GRACE archiválva 2020. december 29-én a Wayback Machine -nél – a molekuláris kristályszerkezetek előrejelzésére tervezték, különösen a gyógyszeripar számára. A diszperziós korrigált sűrűségfüggvény elmélete alapján. A kereskedelmi szoftverek fejlesztése aktív.

Példák a PCS megközelítés megvalósítására

Irodalom

• Modern módszerek a kristályszerkezet előrejelzésére  (angol) / AR Oganov. - Berlin: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Jegyzetek

1. ↑ G. R. Desiraju. Kriptikus krisztallográfia  (angol)  // Nature Materials  : Journal. - 2002. - 20. évf. 1 , sz. 2 . - 77-79 . o . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; macska. Kristályszerkezet előrejelzése az első elvekből  (angol)  // Nature Materials  : Journal. - 2008. - Vol. 7 , sz. 12 . - P. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Az összetett ionkristályok szerkezetét meghatározó elvek  //  Journal of the American Chemical Society : folyóirat. - 1929. - 1. évf. 51 , sz. 4 . - P. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Kristályszerkezetek előrejelzése: A Parrinello-Rahman módszer újralátogatása  (angol)  // Physical Review Letters  : folyóirat. - 2003. - 1. évf. 90 , sz. 3 . - P. 341-353 . - doi : 10.1016/0027-5107(78)90203-8 . — PMID 75502 .
5. ↑ Martonak R., Donadio D., Oganov AR, Parrinello M.; donadio; Oganov; Parrinello. Kristályszerkezet-átalakítások SiO 2 -ben a klasszikus és ab initio metadinamikából  (angol)  // Nature Materials  : Journal. - 2006. - 20. évf. 5 , sz. 8 . - P. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ Needs. A szilán nagynyomású fázisai // Fizikai áttekintő levelek . - 2006. - T. 97 , 4. sz . - S. 045504 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.045504 . - . - arXiv : cond-mat/0604454 . — PMID 16907590 .
7. ↑ A. R. Oganov, C. W. Glass. Kristályszerkezet előrejelzése ab initio evolúciós technikákkal: alapelvek és alkalmazások  //  Journal of Chemical Physics  : folyóirat. - 2006. - 20. évf. 124. sz . 10 . - P. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - . — PMID 244704 .
8. ↑ Stone Anthony. Az intermolekuláris erők elmélete  . – Oxford University Press , 2013.
9. ↑ Nyman Jonas, Day Graeme M. Statikus és rácsos rezgési energia különbségek a  polimorfok között //  CrystEngComm : folyóirat. - doi : 10.1039/C5CE00045A .
10. ↑ K. Sanderson. A modell előrejelzi a kristályok szerkezetét  (angol)  // Nature  : Journal. - 2007. - Vol. 450 , sz. 7171 . - 771. o . - doi : 10.1038/450771a . — . — PMID 18063962 .
11. ↑ Day Graeme M., Cooper Timothy G., Cruz-Cabeza Aurora J., Hejczyk Katarzyna E., Ammon Herman L., Boerrigter Stephan XM, Tan Jeffrey S., Della Valle, Raffaele G., Venuti Elisabetta, Jose Jovan, Gadre Shridhar R., Desiraju Gautam R., Thakur Tejender S., Van Eijck Bouke P., Facelli Julio C., Bazterra Victor E., Ferraro Marta B., Hofmann Detlef WM, Neumann Marcus A., Leusen Frank JJ, Kendrick John, Price Sarah L., Misquitta Alston J., Karamertzanis Panagiotis G., Welch Gareth WA, Scheraga Harold A., Arnautova Yelena A., Schmidt Martin U., Van De Streek Jacco, Wolf Alexandra K. Jelentős előrelépés a kis szerves molekulák kristályszerkezetei – jelentés a negyedik vaktesztről  //  Acta Crystallographica B : folyóirat. - International Union of Crystallography , 2009. - Vol. 65 , sz. 2. pont . - 107-125 . o . - doi : 10.1107/S0108768109004066 .
12. ↑ MA Neumann, FJJ Leusen, J. Kendrick; Leusen; Kendrick. A nagy előrelépés a kristályszerkezet előrejelzésében  (német)  // Angewandte Chemie International Edition  : magazin. - 2008. - Bd. 47 , sz. 13 . - S. 2427-2430 . doi : 10.1002/ anie.200704247 . — PMID 18288660 .
13. ↑ Reilly, Anthony M.; Cooper, Richard I.; Adjiman, Claire S.; Bhattacharya, Saswata; Boese, A. Daniel; Brandenburg, Jan Gerit; Bygrave, Peter J.; Bylsma, Rita; Campbell, Josh E.; Autó, Roberto; Case, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Day, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzjabcsenko, Sándor; Van Eijck, Bouke P.; Elking, Dennis M.; Van Den Ende, Joost A.; Facelli, Julio C.; Ferraro, Marta B.; Fusti-Molnar, László; Gatsiou, Christina Anna; Gee, Thomas S.; De Gelder, Rene; Ghiringhelli, Luca M.; et al. (2016). „Jelentés a szerves kristályszerkezet-előrejelzési módszerek hatodik vaktesztjéről” . Acta Crystallographica b . 72 (4): 439-459. DOI : 10.1107/S2052520616007447 . PMC  4971545 . PMID  27484368 .
14. ↑ Dybeck, Eric C.; Abraham, Nathan S.; Schieber, Natalie P.; Michael, Michael R. (2017). „A hőmérséklet által közvetített polimorf átalakulások entrópikus hozzájárulásainak rögzítése molekuláris modellezéssel.” Journal of Chemical Theory and Computation . 17 (4): 1775-1787. doi : 10.1021/ acs.cgd.6b01762 .
15. ↑ Oganov AR, Chen J., Gatti C., Ma Y.-M., Yu T., Liu Z., Glass CW, Ma Y.-Z., Kurakevych OO, Solozhenko VL (2009). „Az elemi bór ionos nagynyomású formája ” természet . 457 , 863-867. DOI : 10.1038/nature07736 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2020-11-09 . Letöltve: 2020-04-29 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )