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 16-13-10158

НазваниеГибридные тополого-квантовохимические методы прогнозирования адсорбционных, каталитических и сенсорных свойств микропористых каркасных и низкоразмерных материалов

РуководительБлатов Владислав Анатольевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2020 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-701 - Структура и свойства органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаЭкспертные системы, базы знаний, топологический анализ, методы функционала плотности, методы молекулярной динамики, микропористые материалы, адсорбенты, катализаторы, сенсоры, методы предсказания материалов, дизайн материалов, масштабный компьютерный скрининг

Код ГРНТИ31.01.77

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Программа «Геном материалов», реализуемая в большинстве развитых стран мира, предусматривает резкое ускорение создания новых материалов за счет разработки компьютерных средств прогнозирования их структуры и свойств, а также создания систем обмена информацией между теоретиками и экспериментаторами и средств обработки этой информации. Данный проект посвящен решению указанных задач, что обусловливает его актуальность. В результате выполнения проекта в 2016-2018 гг. нами были созданы инструменты (математические модели, программное обеспечение и базы данных) для прогнозирования структуры и свойств (механических и адсорбционных) микропористых соединений (металл-органических каркасов и цеолитов). Кроме того были выработаны критерии образования двумерных материалов из трехмерных координационных полимеров и проведены успешные эксперименты по отшелушиванию двумерных координационных полимеров. Были отлажены методики расчетов механических свойств микропористых соединений, процессов сорбции органических молекул и промотирования реакций окисления металл-органическими каркасами. Для микропористых соединений найден ряд корреляций «состав-структура-свойство» и созданы прототипы баз знаний, позволяющих осуществлять направленный дизайн таких соединений. Таким образом, все намеченные на 2016-2018 гг. задачи были решены. В 2019-2020 гг. мы планируем расширить разработанный гибридный тополого-квантовохимический подход новыми моделями, программными средствами, базами данных и знаний и использовать его для исследования и прогнозирования структуры, механических и адсорбционных свойств других классов микропористых и низкоразмерных материалов. Указанные свойства выбраны на основе исследований, проведенных в Проекте 2016, как наиболее сильно коррелирующие с геометрико-топологическими свойствами структуры. Предполагается решить следующие задачи: 1. Разработать метод поиска новых веществ, основанный на топологическом родстве структур новых и уже известных фаз. Предполагается создать топологическую модель конфигурационного пространства химической системы. В этой модели различным областям конфигурационного пространства будут отвечать определенные топологии, представленные атомными сетками. Переходы между различными областями пространства будут представлены как трансформации соответствующих сеток, а непрерывное пространство геометрических конфигураций системы будет заменено дискретным пространством топологий. Будет разработано программное обеспечение, позволяющее находить взаимные трансформации для заданных сеток, а также генерировать новые топологии из имеющихся. В результате станет возможным автоматизированный поиск новых топологий, соответствующих еще не известным кристаллическим фазам. Будут разработаны полуколичественные геометрико-топологические критерии для быстрой оценки стабильности новых фаз; стабильность и физические свойства отобранных по данным критериям фаз будут затем количественно оценены методами DFT. Данный метод существенно ускорит поиск новых кристаллических фаз по сравнению с известными методами, использующими сканирование всех возможных геометрических конфигураций, так как в топологической модели каждая область конфигурационного пространства, соответствующая данной топологии, заменяется одной точкой в топологическом пространстве. 2. Провести поиск новых микропористых цеолитоподобных каркасов и углеродных наноструктур, в том числе низкоразмерных (нанослоев и нанотрубок). Для поиска новых цеолитоподобных каркасов будет использован подход, разработанный в Проекте 2016, заключающийся в сборке каркаса из полиэдрических строительных единиц (тайлов). Подход будет расширен на тайлы любой топологии. Альтернативно новые цеолитоподобные каркасы будут получены с использованием топологической модели конфигурационного пространства. Эта модель будет использована для генерации новых углеродных наноструктур разной размерности из уже известных. 3. Провести расчеты механических свойств и пористости полученных новых фаз, а также адсорбционных и каталитических свойств микропористых каркасов. Расчеты будут проведены по методикам, разработанным в Проекте 2016. Будет рассмотрена возможность использования новых микропористых каркасов в качестве сорбентов малых молекул (H2S, CO, CO2, CS2, COS), катионов металлов и в качестве катализаторов. 4. Обновить созданные в Проекте 2016 базы данных по топологии кристаллических веществ информацией по строению новых гипотетических структур цеолитоподобных веществ и аллотропов углерода, а также новых микропористых и низкоразмерных веществ, экспериментально полученных в других лабораториях и включенных в мировые кристаллографические базы данных. Кроме того, прототипы баз знаний, содержащие корреляции «состав-структура-свойство» и созданные в Проекте 2016, будут дополнены новыми корреляциями и преобразованы в интерактивные базы знаний, к которым будет организован удаленный доступ. 5. Распространить топологический подход на дизайн материалов на макроуровне и изучить ограничения такого подхода. Планируется использовать метод дизайна цеолитоподобных структур, основанный на концепции тайлинга, для моделирования пористых макрообъектов. Будет разработана модификация метода, которая будет создавать трехмерные модели объектов, являющихся трехмерными периодическими поверхностями, полученными из тайлингов; указанные модели будут адаптированы для 3D печати. Решение указанных задач разовьет теоретическую базу разработанного гибридного тополого-квантовохимического подхода, продемонстрирует его универсальность и существенно расширит области его практического применения. Планируется организация онлайн-доступа ко всем инструментам прогнозирования, разработанным в Проекте 2019.

Ожидаемые результаты
1. Будет разработан метод поиска новых веществ, основанный на топологическом родстве структур новых и уже известных фаз. Метод не будет иметь мировых аналогов; все известные методы генерации новых структур в той или иной степени сканируют возможные геометрические конфигурации системы, множество из которых приводят к одним и тем же (часто уже известным) фазам, что в большинстве случаев делает исчерпывающий поиск новых стабильных фаз практически невозможным. В разработанном нами методе каждая область конфигураций, относящихся к одной топологии, будет представлена одной точкой в топологическом пространстве фаз, что резко сократит количество рассматриваемых конфигураций и сделает его счетным. Кроме того, метод позволит сразу выделить топологии, которые еще не встречались среди других соединений, что существенно увеличит вероятность получения новых фаз в результате моделирования. Метод будет востребован во всех лабораториях, занимающихся моделированием и дизайном новых материалов. 2. Будет составлена база данных по структуре и полезным свойствам (механическим, адсорбционным и каталитическим) новых цеолитоподобных каркасов. Будут сформулированы предложения по использованию данных материалов для сорбции малых молекул (H2S, CO, CO2, CS2, COS), катионов металлов и в качестве катализаторов в нефтегазовой промышленности и органическом синтезе. Прогнозирование новых каркасов будет проведено более точно, чем в известных мировых базах данных по гипотетическим цеолитоподобным каркасам, в которых единственным критерием возможности существования каркаса является низкое значение энергии кристаллической решетки. В сформированных нами базах данных будут представлены каркасы, отвечающие целому комплексу геометрико-топологических критериев, учитывающих не только термодинамическую стабильность каркаса, но и кинетические факторы его формирования в процессе кристаллизации. Созданные в Проекте 2016 базы данных по топологии кристаллических веществ будут обновлены информацией по соединениям, экспериментально полученным в других лабораториях и включенным в мировые кристаллографические базы данных. Созданные базы данных будут доступны на сайтах http://sctms.ru, https://topospro.com и https://topcryst.com. 3. Будут созданы базы знаний, содержащие корреляции «состав-структура-свойство» между химическим составом, геометрико-топологическими параметрами кристаллической структуры, механическими и адсорбционными свойствами новых микропористых и низкоразмерных веществ. Будет разработано программное обеспечение для доступа к созданным базам знаний через порталы http://sctms.ru, https://topospro.com и https://topcryst.com сотрудников лабораторий, занимающихся разработкой новых материалов указанных классов. Мировые аналоги указанных баз знаний, а также аналогичные ресурсы удаленного доступа отсутствуют. 4. Будет разработана модификация метода дизайна цеолитоподобных структур, основанного на концепции тайлинга, для моделирования пористых макрообъектов. Данная модификация будет создавать трехмерные модели объектов, являющихся трехмерными периодическими поверхностями, полученными из тайлингов; указанные модели будут адаптированы для 3D печати. Будет сформирована база из не менее 100 пористых объектов разной топологии для создания их трехмерных моделей из различных материалов методами 3D печати. Основное отличие данного метода от известных методов моделирования пористых трехмерных объектов заключается в том, что он будет опираться на строгий автоматизированный алгоритм генерации таких объектов из известных тайлингов, гарантируя топологическую неэквивалентность, а следовательно, и различные физические свойства таких объектов. Предполагается, что дальнейшее их моделирование и тестирование (в частности, их механических свойств и пористости) позволит отобрать среди них наиболее перспективные структуры для различных конструкционных материалов, в том числе для протезирования в медицине.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---