Многообещающие материалы
Новый геометрический метод позволит детальнее исследовать структуру кристаллов
Ученые разработали метод для наглядного анализа сложных кристаллических структур. Он заключается в том, чтобы представлять молекулы в виде многогранников — полиэдров, по площадям граней которых можно количественно оценивать связи между атомами. Точные данные о строении кристаллов будут полезны для создания материалов с управляемыми свойствами, которые используются, в частности, для легких органических устройств. Например, уже сегодня предложены сенсоры движения воздуха, созданные на основе молекулярных кристаллов. Результаты исследования, поддержанного грантом президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Crystal Growth & Design.
Слева направо: Дурга Прасад Кароту, Эджаз Ахмед, Антон Савченков, Панце Наумов
Фото: Антон Савченков
Слева направо: Дурга Прасад Кароту, Эджаз Ахмед, Антон Савченков, Панце Наумов
Фото: Антон Савченков
Сегодня ученые всего мира ищут возможность создавать материалы с управляемыми свойствами. Такая задача требует понимания, как характеристики материала связаны с его составом и структурой. И если состав и свойства (например, эластичность, пластичность или хрупкость) вещества можно количественно измерить, то изучение закономерностей в структурах молекул и кристаллов — вопрос, к которому нужен особый подход, ведь расположение атомов относительно друг друга и их связи сложно описать численно. Знание структуры важно для исследователей, так как характеристики материала зависят не только от того, какие в нем содержатся атомы и сколько их, но и от того, как они взаимодействуют между собой.
Сейчас структуры молекул и кристаллов изучают в основном методами квантовой химии. У них много преимуществ: например, таким образом можно вычислить энергию взаимодействий. Но результат часто зависит от выбранного подхода, а вычисления, особенно для больших наборов данных, становятся время- и трудозатратными.
Ученые из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева (Самара) с коллегами из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби (ОАЭ) предложили и протестировали новый метод для изучения пластичных и эластичных кристаллов, который позволяет количественно оценить взаимодействия между атомами в их структуре. Вычисления при этом в основном геометрические, их можно провести на компьютере в рамках анализа больших данных. Согласно предложенному методу, программа анализирует объемную модель кристаллической решетки и строит для каждого атома многогранник, характеризующий связи между этим атомом и ближайшими к нему. Такие многогранники называются полиэдрами Вороного—Дирихле.
Пример модели кристалла с построенными полиэдрами
Фото: Anton V. Savchenkov et al. / Crystal Growth & Design, 2023
Пример модели кристалла с построенными полиэдрами
Фото: Anton V. Savchenkov et al. / Crystal Growth & Design, 2023
Когда модель построена, программа рассчитывает площади всех граней полиэдров. Площадь грани, например, между водородом (H) и азотом (N) характеризует размер «окна», в котором они могут обмениваться электронами, и позволяет оценить связь этих двух атомов. Посчитав сумму площадей всех граней между парами H и N в модели кристалла, можно определить, какой процент от общей площади граней приходится на связь между этими атомами и, соответственно, какой вклад взаимодействия такого типа вносят в общую картину. Ученые анализируют этот показатель для каждого типа связи и получают исчерпывающую количественную информацию о структуре кристалла.
Полиэдры Вороного—Дирихле оказались высокочувствительными: с их помощью можно легко обнаружить ошибки в полученных ранее данных, а также выявить закономерности между структурой кристалла и его свойствами, например, пластичностью или эластичностью.
В ходе проведенной работы авторы применили полиэдры для анализа структур 27 эластичных и 36 пластичных кристаллов. Первые представляют собой кристаллы, которые возвращают исходную форму после деформации, а вторые — те, что поддаются изменению формы, как пластилин.
Авторам удалось охарактеризовать связи в таких структурах, однако оказалось, что рассмотренные кристаллы не имеют общих закономерностей в системах их межатомных взаимодействий. Это можно объяснить тем, что в выборку попали слишком разные по составу и строению материалы с пластическими и эластическими свойствами. Изученные кристаллы отличались друг от друга содержанием азота, галогенов или серы.
Кроме того, ученые обнаружили кристаллы с необычными структурами. Например, четыре пластических кристалла не содержали водорода и, соответственно, не имели водородных связей, которые играют важную роль в остальных материалах. Также удалось найти ошибочные данные об одной из структур, полученной другими исследователями ранее.
«Данные, которые мы получаем при помощи полиэдров Вороного—Дирихле, другими методами получить невозможно. При этом сами материалы очень многообещающие: например, уже сегодня имеются сведения об использовании эластичных органических кристаллов, подобных волосам на теле человека и животного, в качестве сенсоров потока воздуха. В дальнейшем мы проведем нашими методами расчеты других выборок химических соединений, также обладающих ценными свойствами и вызывающих интерес у исследователей»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Антон Савченков, доцент кафедры неорганической химии Самарского университета.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда