Топологические методы дизайна кристаллических структур и направленный поиск новых супертвердых материалов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00062

НазваниеТопологические методы дизайна кристаллических структур и направленный поиск новых супертвердых материалов

Руководитель Блатов Владислав Анатольевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов

Ключевые слова Дизайн кристаллов, супертвердые материалы, топологические методы, базы данных, базы знаний, направленный поиск, бориды, карбиды, нитриды, силициды, DFT расчеты, механические свойства, геометрико-топологические свойства

Код ГРНТИ31.15.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является разработка новых подходов к прогнозированию и дизайну кристаллических структур неорганических соединений на основе анализа и преобразования их систем химических связей, а также практическое применение разработанных подходов для поиска новых супертвердых материалов. Прогнозирование новых материалов и их свойств с помощью цифровых методов и инструментария (компьютерных программ, баз данных, баз знаний, систем искусственного интеллекта) является общемировым трендом и закреплено в научно-технических программах всех развитых стран мира (программы «Геном материалов» США и Китая, аналогичные программы Европейского Союза и Японии). Известные методы прогнозирования материалов опираются на моделирование их структуры и свойств методами квантовой механики, молекулярной динамики и Монте Карло, однако эти методы время- и ресурсозатратны, не учитывают экспериментальные данные, уже известные для данного класса материалов, и обычно не опираются на анализ системы межатомных связей, анализируя кристалл как единый комплекс атомов. Предлагаемые в данном проекте геометрико-топологические подходы свободны от указанных недостатков и позволяют быстро получить возможные модели структур, обладающих требуемым физическим свойством. Теоретическую основу этих подходов составляет разработанный нами ранее топологический метод генерации кристаллических структур, основанный на соотношениях «подсетка-надсетка» и позволяющий разбить все конфигурационное пространство кристаллической системы на счетное число областей, соответствующих различным топологиям атомных сеток кристаллических фаз. Нами было показано, что количество стабильных фаз в системе не превышает число этих областей топологий, в связи с чем количество тестируемых гипотетических структур резко сокращается – оно равно числу областей топологий, а не бесконечному числу геометрических конфигураций. Оптимизация структуры, количественный расчет свойств и оценка практической значимости полученных гипотетических структур далее осуществляется уже с использованием методов квантовой механики. Таким образом, поставленная цель лежит в рамках основной задачи современного теоретического материаловедения – создания эффективных методов и инструментов компьютерного моделирования материалов с заданными свойствами. Для достижения указанной цели предполагается решить следующие задачи: 1. Адаптировать разработанный ранее топологический метод генерации кристаллических структур, основанный на соотношениях «подсетка-надсетка», к топологически сложным структурам, обладающим высокой связностью и/или разнообразием локального окружения атомов. 2. Разработать метод «восходящего» и «нисходящего» топологического дизайна кристаллических структур, основанный на представлении сложных структурных единиц более простыми, или, наоборот, на декорировании простых структур сложными структурными единицами. 3. Адаптировать разработанный ранее метод иерархического топологического анализа кристаллических структур для генерации новых структур, в том числе низкоразмерных, и распространить его на структуры любой топологической сложности. 4. Разработать набор геометрических дескрипторов, характеризующих стабильность атомных конфигураций для отбора наиболее перспективных топологических моделей. Алгоритмизировать созданные геометрико-топологические методы и реализовать их в виде модулей в разрабатываемом нами комплексе программ ToposPro. 5. Используя метод соотношений «подсетка-надсетка», провести поиск новых супертвердых материалов в топологических окрестностях известных кристаллических структур с высокой твердостью. 6. Используя метод «нисходящего» топологического дизайна, провести поиск новых супертвердых материалов, в частности, боридов, карбидов, нитридов и силицидов металлов, основываясь на их топологическом родстве с соответствующими химически более сложными структурами, в том числе, боратами, карбонатами, нитратами и силикатами. 7. Используя метод иерархического топологического анализа и методы машинного обучения, изучить корреляции между механическими свойствами материалов и топологическими свойствами систем химических связей в них. Сформировать базу знаний, содержащую найденные корреляции. С помощью найденных корреляций провести поиск веществ с высокой твердостью среди всех известных кристаллических структур неорганических соединений, а также среди новых структур, сгенерированных в рамках данного проекта. 8. Провести расчет термодинамической стабильности и механических свойств методами теории функционала плотности (DFT) для наиболее перспективных новых структур, найденных с помощью геометрико-топологического подхода. 9. Сформировать базу данных, содержащую информацию по структуре, геометрико-топологическим и механическим свойствам всех найденных веществ и материалов с потенциально высокой твердостью. В результате выполнения проекта впервые будет разработан и теоретически обоснован комплексный топологический подход к поиску новых кристаллических структур неорганических соединений, который существенно повысит скорость и эффективность разработки новых материалов за счет более экономного и интеллектуального сканирования пространства возможных геометрических конфигураций. Все созданные инструменты (программные средства, электронные базы данных и базы знаний) будут доступны для свободного пользования на ресурсах https://topospro.com и https://topcryst.com. По результатам проекта планируется опубликовать не менее 12 статей (6 статей в журналах Q1).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Медриш И.В., Блатов В.А. Boron Substructures in Inorganic Borides: Network Topology and Free Space Crystal Growth & Design, V. 23, N 4, P. 2531–2539 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.cgd.2c01440

2. Кабанов А.А., Бухтеева Е.О., Блатов В.А. A topological approach to reconstructive solid-state transformations and its application for generation of new carbon allotropes Acta Crystallographica Section B, V. B79, N 3, P. 198-206 (год публикации - 2023)
10.1107/S205252062300255X

3. Блатова О.А., Блатов В.А. Hierarchical topological analysis of crystal structures: the skeletal net concept Acta Crystallographica Section A, V. A80, N 1 (год публикации - 2023)
10.1107/S2053273323008975

4. Медриш И.В., Блатов В.А. When topology meets geometry: topological motifs and uniformity of atomic sublattices in inorganic crystals CrystEngComm, V. 26, N 45, P. 6410–6419. (год публикации - 2024)
10.1039/d4ce01009d

5. Шевченко А.П., Блатов В.А. Stability of inorganic ionic structures: the uniformity approach Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances, V. A80, N 6, P. 446–456 (год публикации - 2024)
10.1107/S2053273324009008

6. Блатов В.А. Topological Methods and Tools for the Analysis of Big Crystallographic Data Communications in Computer and Information Science, V. 2086, pp. 28–34 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-67826-4_2

7. Кабанова Н.А., Гришина Е.А., Осипов В.Т., Павлова В.Е., Солодовникова М.А., Кабанов А.А., Блатов В.А. Topological relations between crystal structures: a route to predicting inorganic materials Structural Chemistry, V. 35, N 6, P. 1793–1803 (год публикации - 2024)
10.1007/s11224-024-02379-1

8. Бухтеева Е.О., Блатов В.А. The ‘reaction zone’ concept in modeling solid-state transformations and predicting crystal structures Structural Chemistry (год публикации - 2024)
10.1007/s11224-024-02402-5

9. Медриш И.В., Солодовникова М.А., Кабанов А.А., Блатов В.А. Topological analysis and structural role of silicon motifs in metal silicides Crystal Growth & Design, V. 24, N 3, P. 1308−1318 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.cgd.3c01282

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведена топологическая классификация атомных подструктур (металла и неметалла) во всех известных кристаллических структурах боридов, карбидов, нитридов и силицидов, не содержащих связных подструктур из атомов неметалла. Выявлено 285 топологических типов неметаллических подрешеток в 3514 кристаллических структурах, содержащих изолированные атомы B, C, N или Si. Обнаружено, что топологический тип всей структуры в значительной степени предопределяет сетку подрешетки. Наиболее распространенным топологическим типом является ГЦК (fcu), которая часто встречается во всех четырех группах. Показано, что топологическое представление подрешетки позволяет предсказать ее возможные геометрические симметрии при любой степени искажения. Выявлено три фактора, способствующие частой встречаемости определенного топологического типа подрешетки: (i) высокая симметрия наиболее симметричной реализации соответствующей сетки; (ii) топологическая простота сетки и (iii) высокая равномерность наиболее симметричной реализации сетки. Критерий равномерности был распространен на структуры с преимущественно ионным типом связи. Анализ 21465 структур ионных соединений показал, что положения основных максимумов распределений <G3> для катионной и анионной подрешеток практически совпадают друг с другом и близки к минимально возможному значению 0,07854… идеальной ОЦК-решетки. Предложены критерии стабильности ионных подрешеток, которым должна отвечать устойчивая структура ионного соединения. Значения критериев стабильности внесены в программный комплекс ToposPro, который опубликован на сайте https://topospro.com. В результате проведения генерации новых структур методом «надсетка-подсетка» обнаружено, что наиболее стабильные структуры принадлежат к топологическим типам acs, nia (NiAs), nia (анти-NiAs), pcu, ste (TiP), ste (анти-TiP) и 7,7T3. На основе данных сеток смоделирована 31 структура MeX. Обнаружено, что RhB с скелетной топологией анти-NiAs трансформируется в фазу 7,7T3 при 22 ГПа. Важным является установленный факт, что сетки 7,7T3 и nia находятся в прямой связи надсетка-подсетка и твердотельное превращение nia–7,7T3 должно быть легко реализуемо. Для генерации новых гипотетических sp3-гибридизированных аллотропов углерода применен метод обратного иерархического поиска, когда новые структуры генерируются из более низкосвязных структур путем образования новых межатомных контактов. В результате были найдены два новых гипотетических супертвердых аллотропа углерода с твердостью по Виккерсу выше 70 ГПа, информация по которым внесена в базу данных SACADA (https://sacada.info/). Проведено моделирование новых силицидных клатратов, основанных на пористых кремниевых каркасах с топологией, реализующейся в металл-органических соединениях. Получены модели трех новых гипотетических клатратных силицидов. Обнаружено, что на твердость аллотропов углерода влияют три топологических параметра: (i) разброс значений нормированного второго момента инерции (G3) тайлов (чем меньше разброс, тем менее деформируем тайл и тем тверже соответствующий аллотроп); (ii) размер колец атомов, образующих тайлы (наиболее твердыми являются аллотропы, в которых тайлы образованы шестичленными кольцами) и (iii) количество разных тайлов в тайлинге (чем меньше эта величина, тем тверже аллотроп). Информация о рассчитанных механических характеристиках (тензор упругих констант, модули объемного сжатия, сдвига, твердость по Виккерсу) были занесены в SACADA. Информация по структурам, сгенерированным в рамках данного проекта внесена в базы данных системы TopCryst (https://topcryst.com) и доступна через имеющиеся сервисы «Search network topology», «Search topological objects» и «Search structure». По результатам выполнения работ опубликовано 6 статей (8 с учетом статей первого квартиля) и сделано 7 докладов на всероссийских и международных научных конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные методы генерации моделей новых кристаллических структур существенно ускоряют теоретический поиск и дизайн материалов с заданными свойствами, так как в значительной степени ограничивают число тестируемых структур-кандидатов, а также позволяют целенаправленно находить новые структуры, родственные уже известным материалам с полезными свойствами. Таким образом, результаты проекта могут быть использованы в работе научных групп, занимающихся разработкой новых материалов.