Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Передбачення кристалічної структури — прогнозування параметрів кристалічної структури речовини, кристали якої не досліджені експериментально.
Загальна характеристика
Розробка надійних методів прогнозування кристалічної структури сполук, заснованих на їх молекулярній будові, є однією з найважливіших задач фізики і хімії. Для вирішення цього завдання використовуються різні обчислювальні методи, такі як алгоритм імітації відпалу, еволюційні алгоритми, розподілений мультипольний аналіз, метод випадкових блукань, теорія функціонала густини, молекулярна механіка та інші .
Історія
В першій половині ХХ століття Лайнус Полінг опублікував низку наукових статей з описом проведених ним дифракційних досліджень, доповнених квантово-механічними розрахунками. Ці дослідження дозволили йому сформулювати п’ять правил про структуру кристалів, відомих зараз, як правила Полінга і дозволяющих вченим передбачати характер зв’язків, об’єднуючих атоми в молекули. Правила Полінга виявилися корисними для уточнення структури простих іоних кристалів. Однак, уточнення та прогнозування — це зовсім різні речі. Найчастіше, під прогнозуванням кристалічної структури розуміється пошук мінімуму енергії просторового розташування атомів (або, в разі молекулярних кристалів, молекул). Таке розуміння прогнозування витікає з відповіді на питання: якою буде найбільш стійка і, відповідно, найбільш ймовірна будова кристала, хімічний склад якого відомий. Узагальнена відповідь на це питання достатньо «проста»: найбільш стійка атомна конфігурація відповідає мінімуму енергії міжатомної взаємодії. Строгого математичного рішення знаходження енергетичних мінімумів кристалічної структури заданого хімічного складу не існує, але використовувані обчислювальні методи постійно вдосконалюються і дозволяють успішно прогнозувати стабільні і метастабільні кристалічні структури. Для складних немолекулярних кристалів найкращі результати виходять при використанні алгоритмів метадинаміки і при використанні еволюційного алгоритму USPEX . Останній алгоритм здатний отримувати рішення задачі глобальної оптимізації з точністю до декількох сотень ступенів свободи, в той час як алгоритми метадинаміки дозволяють скоротити всі структурні змінні до невеликої вибірки «повільних» узагальнених змінних, що часто призводить до отримання стійкого рішення.
Молекулярні кристали.
Прогнозування органічних кристалічних структур є важливим завданням як для фундаментальної, так і для прикладної науки, зокрема для отримання нових фармацевтичних препаратів і пігментів, де поліморфізм структур є принциповим. Кристалічні структури молекулярних речовин, особливо органічних сполук, дуже важко прогнозувати і класифікувати по стабільності. Міжмолекулярні взаємодії порівняно слабкі, ненаправлені є далекодіючими . Це призводить до характерної для цих з'єднань кристалічній решітці і дуже невеликої відмінності у вільній енергії різних поліморфних форм (часто лише кілька кДж / моль і дуже рідко перевищує 10 кДж / моль). Методи передбачення кристалічної структури часто дозволяють знайти безліч можливих структур в межах цього невеликого діапазону енергій. Такі невеликі енергетичні відмінності складно передбачити з високим ступенем надійності і з використанням розумних обчислювальних ресурсів. На початку 2000-років було досягнуто значного прогресу в передбачені структур малих органічних молекул — була доведена ефективність декількох різних методів . Деякі з них дозволяють робити початковий розрахунок і класифікацію енергії всіх можливих кристалічних структур за допомогою виборчого молекулярно-механічного силового поля з подальшим використанням дисперсно-виправленої теорії функціонала густини для оцінки енергії ґратки і стабільності прогнозованих структур .
Програмне забезпечення для передбачення кристалічних структур.
Наступні програмні продукти дозволяють здійснити прогноз стабільних і метастабільних структур заданого хімічного складу при різних зовнішніх умовах (тиску і температурі):
CALYPSO — прогнозує стабільні і метастабільні кристалічні структури при заданих зовнішніх умовах методом рою частинок. Дані про структуру можуть бути використані для розробки багатофункціональних матеріалів (надпровідних, термоелектричних, надтвердих тощо). Безкоштовно для академічних дослідників. Регулярно оновлюється.
— пакет, який реалізує метод Монте-Карло і генетичні алгоритми для атомних кристалів. GULP базується на класичних силових полях, але працює з багатьма типами силових полів. Безкоштовно для академічних дослідників. Регулярно оновлюється.
GASP — прогнозує структуру і склад стабільних і метастабільних фаз кристалів, молекул, атомних кластерів і дефектів виходячи з перших принципів. Може бути сумісне з іншими програмами в тому числі: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx. Безкоштовний в використанні і регулярно оновлюється.
GRACE — використовує теорію функціонала густини з корекцією дисперсії (англ. d-DFT). Комерційний продукт, розроблений для передбачення молекулярних кристалічних структур, особливо в фармацевтичній промисловості.
USPEX — програмне забезпечення, розроблене з використанням еволюційного алгоритму і інших методів (метод випадкової вибірки, еволюційної метадинаміки, покращений метод рою часток). Може бути використаний для атомних або молекулярних кристалів, об'ємних кристалів, наночастинок, полімерів; може оптимізувати енергетичні та інші фізичні властивості. На додаток до знаходження структури заданого складу, можна визначити всі стабільні композиції в багатокомпонентної системі змінного складу. Безкоштовно для академічних дослідників. Регулярно оновлюється.
XtalOpt — реалізація еволюційного алгоритму з відкритим вихідним кодом.
Література
«Modern Methods of Crystal Structure Prediction». A. R. Oganov. — Berlin: Wiley-VCH, 2010. — 274 с.— .
Примітки
- M. Woodley, R. Catlow (2008). «Crystal structure prediction from first principles».// Nature Materials 7 (12): 937–946.
- «Modern Methods of Crystal Structure Prediction». A. R. Oganov. — Berlin: Wiley-VCH, 2010. - .
- Martonak R., Laio A., Parrinello M. (2003) «Predicting crystal structures: The Parrinello-Rahman method revisited»// Phys Rev Lett. 2003 Feb 21;90(7):075503
- Andriy O. Lyakhov, Artem R. Oganov, Harold T.Stokes, QiangZhu.(2013) «New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX»// Computer Physics Communications V.184, Issue 4, Apr. 2013, Pages 1172-1182
- Anthony. «The Theory of Intermolecular Forces». — OUP Oxford, 2013
- K.Sanderson (2007). «Model predicts structure of crystals»// Nature 450 (7171): 771
- M. A. Neumann, F. J. J. Leusen, J. Kendrick (2008). «A Major Advance in Crystal Structure Prediction»// Angewandte Chemie International Edition 47 (13): 2427–2430
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Peredbachennya kristalichnoyi strukturi prognozuvannya parametriv kristalichnoyi strukturi rechovini kristali yakoyi ne doslidzheni eksperimentalno Zagalna harakteristikaRozrobka nadijnih metodiv prognozuvannya kristalichnoyi strukturi spoluk zasnovanih na yih molekulyarnij budovi ye odniyeyu z najvazhlivishih zadach fiziki i himiyi Dlya virishennya cogo zavdannya vikoristovuyutsya rizni obchislyuvalni metodi taki yak algoritm imitaciyi vidpalu evolyucijni algoritmi rozpodilenij multipolnij analiz metod vipadkovih blukan teoriya funkcionala gustini molekulyarna mehanika ta inshi IstoriyaV pershij polovini HH stolittya Lajnus Poling opublikuvav nizku naukovih statej z opisom provedenih nim difrakcijnih doslidzhen dopovnenih kvantovo mehanichnimi rozrahunkami Ci doslidzhennya dozvolili jomu sformulyuvati p yat pravil pro strukturu kristaliv vidomih zaraz yak pravila Polinga i dozvolyayushih vchenim peredbachati harakter zv yazkiv ob yednuyuchih atomi v molekuli Pravila Polinga viyavilisya korisnimi dlya utochnennya strukturi prostih ionih kristaliv Odnak utochnennya ta prognozuvannya ce zovsim rizni rechi Najchastishe pid prognozuvannyam kristalichnoyi strukturi rozumiyetsya poshuk minimumu energiyi prostorovogo roztashuvannya atomiv abo v razi molekulyarnih kristaliv molekul Take rozuminnya prognozuvannya vitikaye z vidpovidi na pitannya yakoyu bude najbilsh stijka i vidpovidno najbilsh jmovirna budova kristala himichnij sklad yakogo vidomij Uzagalnena vidpovid na ce pitannya dostatno prosta najbilsh stijka atomna konfiguraciya vidpovidaye minimumu energiyi mizhatomnoyi vzayemodiyi Strogogo matematichnogo rishennya znahodzhennya energetichnih minimumiv kristalichnoyi strukturi zadanogo himichnogo skladu ne isnuye ale vikoristovuvani obchislyuvalni metodi postijno vdoskonalyuyutsya i dozvolyayut uspishno prognozuvati stabilni i metastabilni kristalichni strukturi Dlya skladnih nemolekulyarnih kristaliv najkrashi rezultati vihodyat pri vikoristanni algoritmiv metadinamiki i pri vikoristanni evolyucijnogo algoritmu USPEX Ostannij algoritm zdatnij otrimuvati rishennya zadachi globalnoyi optimizaciyi z tochnistyu do dekilkoh soten stupeniv svobodi v toj chas yak algoritmi metadinamiki dozvolyayut skorotiti vsi strukturni zminni do nevelikoyi vibirki povilnih uzagalnenih zminnih sho chasto prizvodit do otrimannya stijkogo rishennya Molekulyarni kristali Prognozuvannya organichnih kristalichnih struktur ye vazhlivim zavdannyam yak dlya fundamentalnoyi tak i dlya prikladnoyi nauki zokrema dlya otrimannya novih farmacevtichnih preparativ i pigmentiv de polimorfizm struktur ye principovim Kristalichni strukturi molekulyarnih rechovin osoblivo organichnih spoluk duzhe vazhko prognozuvati i klasifikuvati po stabilnosti Mizhmolekulyarni vzayemodiyi porivnyano slabki nenapravleni ye dalekodiyuchimi Ce prizvodit do harakternoyi dlya cih z yednan kristalichnij reshitci i duzhe nevelikoyi vidminnosti u vilnij energiyi riznih polimorfnih form chasto lishe kilka kDzh mol i duzhe ridko perevishuye 10 kDzh mol Metodi peredbachennya kristalichnoyi strukturi chasto dozvolyayut znajti bezlich mozhlivih struktur v mezhah cogo nevelikogo diapazonu energij Taki neveliki energetichni vidminnosti skladno peredbachiti z visokim stupenem nadijnosti i z vikoristannyam rozumnih obchislyuvalnih resursiv Na pochatku 2000 rokiv bulo dosyagnuto znachnogo progresu v peredbacheni struktur malih organichnih molekul bula dovedena efektivnist dekilkoh riznih metodiv Deyaki z nih dozvolyayut robiti pochatkovij rozrahunok i klasifikaciyu energiyi vsih mozhlivih kristalichnih struktur za dopomogoyu viborchogo molekulyarno mehanichnogo silovogo polya z podalshim vikoristannyam dispersno vipravlenoyi teoriyi funkcionala gustini dlya ocinki energiyi gratki i stabilnosti prognozovanih struktur Programne zabezpechennya dlya peredbachennya kristalichnih struktur Nastupni programni produkti dozvolyayut zdijsniti prognoz stabilnih i metastabilnih struktur zadanogo himichnogo skladu pri riznih zovnishnih umovah tisku i temperaturi CALYPSO prognozuye stabilni i metastabilni kristalichni strukturi pri zadanih zovnishnih umovah metodom royu chastinok Dani pro strukturu mozhut buti vikoristani dlya rozrobki bagatofunkcionalnih materialiv nadprovidnih termoelektrichnih nadtverdih tosho Bezkoshtovno dlya akademichnih doslidnikiv Regulyarno onovlyuyetsya paket yakij realizuye metod Monte Karlo i genetichni algoritmi dlya atomnih kristaliv GULP bazuyetsya na klasichnih silovih polyah ale pracyuye z bagatma tipami silovih poliv Bezkoshtovno dlya akademichnih doslidnikiv Regulyarno onovlyuyetsya GASP prognozuye strukturu i sklad stabilnih i metastabilnih faz kristaliv molekul atomnih klasteriv i defektiv vihodyachi z pershih principiv Mozhe buti sumisne z inshimi programami v tomu chisli VASP LAMMPS MOPAC Gulp JDFTx Bezkoshtovnij v vikoristanni i regulyarno onovlyuyetsya GRACE vikoristovuye teoriyu funkcionala gustini z korekciyeyu dispersiyi angl d DFT Komercijnij produkt rozroblenij dlya peredbachennya molekulyarnih kristalichnih struktur osoblivo v farmacevtichnij promislovosti USPEX programne zabezpechennya rozroblene z vikoristannyam evolyucijnogo algoritmu i inshih metodiv metod vipadkovoyi vibirki evolyucijnoyi metadinamiki pokrashenij metod royu chastok Mozhe buti vikoristanij dlya atomnih abo molekulyarnih kristaliv ob yemnih kristaliv nanochastinok polimeriv mozhe optimizuvati energetichni ta inshi fizichni vlastivosti Na dodatok do znahodzhennya strukturi zadanogo skladu mozhna viznachiti vsi stabilni kompoziciyi v bagatokomponentnoyi sistemi zminnogo skladu Bezkoshtovno dlya akademichnih doslidnikiv Regulyarno onovlyuyetsya XtalOpt realizaciya evolyucijnogo algoritmu z vidkritim vihidnim kodom Literatura Modern Methods of Crystal Structure Prediction A R Oganov Berlin Wiley VCH 2010 274 s ISBN 978 3 527 40939 6 PrimitkiM Woodley R Catlow 2008 Crystal structure prediction from first principles Nature Materials 7 12 937 946 Modern Methods of Crystal Structure Prediction A R Oganov Berlin Wiley VCH 2010 ISBN 978 3 527 40939 6 Martonak R Laio A Parrinello M 2003 Predicting crystal structures The Parrinello Rahman method revisited Phys Rev Lett 2003 Feb 21 90 7 075503 Andriy O Lyakhov Artem R Oganov Harold T Stokes QiangZhu 2013 New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX Computer Physics Communications V 184 Issue 4 Apr 2013 Pages 1172 1182 Anthony The Theory of Intermolecular Forces OUP Oxford 2013 ISBN 978 0 19 967239 4 K Sanderson 2007 Model predicts structure of crystals Nature 450 7171 771 M A Neumann F J J Leusen J Kendrick 2008 A Major Advance in Crystal Structure Prediction Angewandte Chemie International Edition 47 13 2427 2430