Новости

10 декабря, 2020 20:11

Новая программа предсказывает форму кристаллов, собирая их как Lego

Источник: Газета.ru
Самарские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали универсальный метод, позволяющий моделировать рост кристаллических веществ различной природы. Они предложили рассматривать процесс роста кристалла как сборку из отдельных деталей, каждая из которых крепится в определенном месте конструкции. Этот подход позволил предсказывать форму кристаллов, особенности их структуры и наличие дефектов в зависимости от внешней среды. Статья опубликована в журнале Chemical Science. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Рост грани кристалла цеолита из раствора, в котором плавают «детали» разной формы, моделируемый программой CrystalGrower. Источник: Hill et al / Chemical Science, 2020

Кристаллические вещества часто используются в современных технологиях — квантовой и полупроводниковой электронике и оптике, инфракрасной и вычислительной технике, при создании новых материалов и в других областях. С усложнением техники повышаются требования к свойствам кристаллов (все более сложный химический состав, отсутствие примесей и дефектов в структуре, определенная форма и так далее). Эти параметры можно контролировать, изменяя внешние условия, в которых растут кристаллы — разницу температур, насыщенность и состав раствора или расплава, форму затравки, на которой начинается кристаллизация. Спрогнозировать характеристики будущего кристалла поможет разработка ученых из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева и их коллег из Манчестерского университета.

Исследователи разработали программный пакет, который позволяет моделировать рост, дефекты и особенности строения кристаллов различной природы. Результаты моделирования воспроизводили форму, размер, дефекты разного типа и мельчайшие детали структуры поверхности экспериментально выращенных кристаллов, наблюдаемых учеными. Пакет программ и реализованные в нем методы способны существенно упростить поиск оптимальных условий, при которых получатся кристаллы с заданными физическими свойствами. Ранее самарские ученые предложили описывать рост кристалла как процесс сборки Lego, когда объемные соединения атомов — полиэдры — прикрепляются в те места, где это наиболее энергетически выгодно, в зависимости от уже сформированной структуры.

Программа работает так: задается небольшой исходный фрагмент структуры (затравка), к которому случайным образом присоединяются новые строительные блоки. Часть программы, написанная самарскими учеными, содержит топологическую информацию и позволяет сказать, в каком именно месте растущего кристалла, каким образом и какой именно блок может присоединиться. Как в Lego: эти детали подходят друг к другу, а эти — нет. Дальше вступает в дело термодинамическая часть, которую создавали англичане. Блоки могут присоединяться (рост кристалла) или, наоборот, отсоединяться (растворение) с разной вероятностью, определяемой температурой, энергией взаимодействия блока и поверхности и концентрацией блоков в растворе. Меняя эти параметры, можно изучать, как условия влияют на рост кристалла. Дефекты, связанные с закономерным ростом структуры, или дислокации, задаются искусственно в исходной затравке, дальше можно наблюдать за их развитием. Дефекты, возникающие случайно в процессе роста (например полости), получаются в результате моделирования естественным путем, так как в программе заложена вероятность возникновения «сбоев» роста. Такая информация важна для практического использования: дефекты влияют как негативно, так и позитивно на физические свойства кристалла, а структура поверхности может обеспечивать определенные особенности материала: например, цеолиты за счет своей пористой структуры способны поглощать ионы металлов.

«Программа CrystalGrower, написанная английскими учеными, могла смоделировать любой кристалл, если известны строительные блоки, которые его составляют, а также способ их соединения. Но их программа ничего не говорит о том, какие это блоки для каждого конкретного вещества. Наши же подходы, реализованные в программе ToposPro, позволяют разложить любой кристалл на эти строительные единицы и определить способ их соединения. Если взять в качестве примера конструктор Lego, англичане определили, как можно соединять между собой детали конструктора, какие соединения будут прочными, а какие — нет, но они не знали, какие детали нужно взять, чтобы собрать конкретную модель. А мы определили, какие детали нужны, чтобы собрать самолет, а какие – корабль», — пояснил профессор Владислав Блатов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор химических наук, директор международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению, профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского университета.

За последние несколько лет ученые усовершенствовали свою модель и распространили ее на новые классы веществ. Сейчас модель успешно работает для неорганических ионных соединений (например хлорид натрия, он же поваренная соль), металл-органических координационных соединений, органических молекулярных кристаллов. В дальнейшем ученые планируют протестировать ее эффективность для металлов и сплавов.

17 мая, 2021
Сибирские ученые исследуют наночастицы для использования в сфере печатной электроники
Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН уже несколько лет ведут исследо...
13 мая, 2021
Пористые наночастицы помогут эффективнее доставлять лекарства длительного действия
Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе ц...