Kristallstruktur förutsägelse

Förutsägelse av kristallstrukturen (PCS) är förutsägelsen av parametrarna för kristallstrukturen för ett ämne, vars kristaller inte har studerats med experimentella beräkningsmetoder från första principer . Utvecklingen av tillförlitliga metoder för att förutsäga föreningars kristallstruktur baserat på deras molekylära struktur har varit en av fysikalisk vetenskapens viktigaste uppgifter sedan 1950 -talet [1] . Olika beräkningsmetoder används för att lösa detta problem , såsom simulerad glödgning , evolutionära algoritmer , distribuerad multipolanalys , slumpmässig sampling, slumpmässig descent .datautvinning , densitetsfunktionsteori och molekylär dynamik [2] .

Historik

Kristallstrukturerna för enkla jonkristaller lärde sig att förfinas under första hälften av 1900-talet med hjälp av de regler som Linus Pauling föreslog 1929 [3] . Dessa regler har utvidgats till att omfatta valenselektronkoncentrationen för metaller och halvledare. Men prognoser och förfining är väldigt olika saker. Oftast förstås förutsägelsen av en kristallstruktur som sökandet efter en minimienergi för det rumsliga arrangemanget av atomer (eller, i fallet med molekylära kristaller, molekyler). Problemet har två aspekter - kombinatoriskt (problemet med "sökning", i praktiken det mest akuta för oorganiska kristaller) och energi (problemet med "klassificering", det mest relevanta för molekylära organiska kristaller). För komplexa icke-molekylära kristaller ("sökproblemet") erhålls de bästa resultaten med Martonaks version av metadynamics [4] [5] , den slumpmässiga sökmetoden ab initio [6] och med Oganov -Glass evolutionära USPEX- algoritm [7] . De två sista metoderna klarar av att lösa globala optimeringsproblem med en noggrannhet på flera hundra frihetsgrader, medan metadynamiska algoritmer gör det möjligt att reducera alla strukturella variabler till ett litet urval av "långsamma" generaliserade variabler, vilket ofta leder till en stabil lösning.

Molekylära kristaller

Förutsägelse av organiska kristallstrukturer är en viktig uppgift för både grundläggande och tillämpad vetenskap, särskilt för produktion av nya läkemedel och pigment , där polymorfismen av strukturer är grundläggande. Kristallstrukturerna hos molekylära ämnen, särskilt organiska föreningar, är mycket svåra att förutsäga och klassificera i termer av stabilitet. Intermolekylära interaktioner är relativt svaga, icke-riktade och långväga [8] . Detta leder till ett kristallgitter som är karakteristiskt för dessa föreningar och en mycket liten skillnad i den fria energin för olika polymorfa former (ofta endast ett fåtal kJ/mol och mycket sällan över 10 kJ/mol) [9] . Metoder för att förutsäga kristallstrukturer tillåter ofta många möjliga strukturer att hittas inom detta lilla energiområde. Så små energiskillnader är svåra att förutsäga med en hög grad av tillförlitlighet och med rimliga beräkningsresurser.

Sedan 2007 har betydande framsteg gjorts inom PCD av små organiska molekyler, där flera olika metoder har visat sig vara effektiva [10] [11] . Den mest diskuterade metoden är den initiala beräkningen och klassificeringen av energin för alla möjliga kristallstrukturer med hjälp av ett selektivt molekylärt mekaniskt kraftfält, följt av användningen av dispersionskorrigerad DFT för att utvärdera gitterenergin och stabiliteten för varje kandidatstruktur [12] . Nyare försök att förutsäga kristallstrukturer har gällt uppskattningen av den fria energin hos organiska kristaller genom att inkorporera temperatureffekter och entropi med hjälp av vibrationsanalys eller molekylär dynamik. [13] [14]

PCS-programvara

Följande koder gör det möjligt att förutsäga stabila och metastabila strukturer av en given kemisk sammansättning under olika yttre förhållanden (tryck och temperatur):

• USPEX Arkiverad 15 maj 2021 på Wayback Machine  - multi-metod multifunktionell programvara, inklusive evolutionär algoritm och andra metoder (slumpmässig provtagning, evolutionär metadynamik, förbättrad partikelsvärmning (MPS), variabel cellmetod för elastisk elastisk tejp för fasmekanismer övergångar). Kan användas för atomära eller molekylära kristaller; bulkkristaller, nanopartiklar, polymerer, ytrekonstruktioner; kan optimera energi och andra fysiska egenskaper. Förutom att hitta strukturen för en given sammansättning är det möjligt att bestämma alla stabila sammansättningar i ett flerkomponentsystem med variabel sammansättning. Gratis för akademiska forskare. Används av över 4500 forskare över hela världen. Uppdateras regelbundet.
• CALYPSO Arkiverad 9 juni 2020 på Wayback Machine  - Analys av partikelsvärmkristallstruktur för identifiering/bestämning av kristallstruktur. Som med andra koder kan strukturdata användas för att utveckla multifunktionella material (t.ex. supraledare, termoelektrik, superhårda, energimaterial, etc.). Gratis för akademiska forskare. Uppdateras regelbundet.
• XtalOpt Arkiverad 15 juni 2010 på Wayback Machine  är en öppen källkodsimplementering av en evolutionär algoritm. Senaste uppdatering 2011.
• GULP Arkiverad 9 juni 2020 på Wayback Machine  är ett paket som implementerar Monte Carlo-metoden och genetiska algoritmer för atomära kristaller. GULP bygger på klassiska kraftfält men fungerar med många typer av kraftfält. Gratis för akademiska forskare. Uppdateras regelbundet.
• GASP Arkiverad 18 januari 2019 på Wayback Machine  - förutsäger strukturen och sammansättningen av stabila och metastabila faser av kristaller, molekyler, atomkluster och defekter från första principer. Kan kopplas ihop med andra energikoder inklusive: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx, etc. Gratis att använda och uppdateras regelbundet.
• AIRSS Arkiverad 25 oktober 2020 på Wayback Machine - Ab initio slumpmässig struktursökning baserad på stokastisk konfigurationsrymdsprovtagning och med möjlighet att använda symmetri, kemiska och fysikaliska begränsningar. Används för att studera bulkkristaller, lågdimensionella material, kluster, punktdefekter och gränssnitt. Släppt under GPL2-licensen. Uppdateras regelbundet.
• GRACE Arkiverad 29 december 2020 på Wayback Machine - designad för att förutsäga molekylära kristallstrukturer, speciellt för läkemedelsindustrin. Baserat på dispersionskorrigerad densitetsfunktionsteori. Kommersiell programvara är under aktiv utveckling.

Exempel på implementering av PCS-metoden

Litteratur

• Modern Methods of Crystal Structure Prediction  (engelska) / AR Oganov. - Berlin: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Anteckningar

1. ↑ G. R. Desiraju. Kryptisk kristallografi  (engelska)  // Nature Materials  : journal. - 2002. - Vol. 1 , nej. 2 . - S. 77-79 . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; catlow. Förutsägelse av kristallstruktur från första principer  (engelska)  // Nature Materials  : journal. - 2008. - Vol. 7 , nr. 12 . - P. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Principerna som bestämmer strukturen hos komplexa jonkristaller  //  Journal of the American Chemical Society : journal. - 1929. - Vol. 51 , nr. 4 . - P. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Förutsäga kristallstrukturer: Parrinello-Rahman-metoden revisited  (engelska)  // Physical Review Letters  : journal. - 2003. - Vol. 90 , nej. 3 . - s. 341-353 . - doi : 10.1016/0027-5107(78)90203-8 . — PMID 75502 .
5. ↑ Martonak R., Donadio D., Oganov AR, Parrinello M.; donadio; Oganov; Parrinello. Kristallstrukturtransformationer i SiO 2 från klassisk och ab initio metadynamics  (engelska)  // Nature Materials  : journal. - 2006. - Vol. 5 , nej. 8 . - s. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ behöver. Högtrycksfaser av silan // Physical Review Letters . - 2006. - T. 97 , nr 4 . - S. 045504 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.045504 . - . - arXiv : cond-mat/0604454 . — PMID 16907590 .
7. ↑ A. R. Oganov, C. W. Glass. Förutsägelse av kristallstruktur med ab initio evolutionära tekniker: principer och tillämpningar  //  Journal of Chemical Physics  : tidskrift. - 2006. - Vol. 124 , nr. 10 . - S. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - . — PMID 244704 .
8. ↑ Sten Anthony. Teorin om intermolekylära krafter  . — Oxford University Press , 2013.
9. ↑ Nyman Jonas, Day Graeme M. Static and lattice vibrational energy differences between  polymorphs //  CrystEngComm : journal. - doi : 10.1039/C5CE00045A .
10. ↑ K. Sanderson. Modell förutsäger struktur av kristaller  (engelska)  // Nature  : journal. - 2007. - Vol. 450 , nr. 7171 . - S. 771 . - doi : 10.1038/450771a . — . — PMID 18063962 .
11. ↑ Day Graeme M., Cooper Timothy G., Cruz-Cabeza Aurora J., Hejczyk Katarzyna E., Ammon Herman L., Boerrigter Stephan XM, Tan Jeffrey S., Della Valle, Raffaele G., Venuti Elisabetta, Jose Jovan, Gadre Shridhar R., Desiraju Gautam R., Thakur Tejender S., Van Eijck Bouke P., Facelli Julio C., Bazterra Victor E., Ferraro Marta B., Hofmann Detlef WM, Neumann Marcus A., Leusen Frank JJ, Kendrick John, Price Sarah L., Misquitta Alston J., Karamertzanis Panagiotis G., Welch Gareth WA, Scheraga Harold A., Arnautova Yelena A., Schmidt Martin U., Van De Streek Jacco, Wolf Alexandra K. Betydande framsteg i att förutsäga kristallstrukturer av små organiska molekyler – en rapport om det fjärde blindtestet  //  Acta Crystallographica B : journal. - International Union of Crystallography , 2009. - Vol. 65 , nr. Pt 2 . - S. 107-125 . - doi : 10.1107/S0108768109004066 .
12. ↑ MA Neumann, FJJ Leusen, J. Kendrick; Leusen; Kendrick. A Major Advance in Crystal Structure Prediction  (tyska)  // Angewandte Chemie International Edition  : magazin. - 2008. - Bd. 47 , nr. 13 . - S. 2427-2430 . doi : 10.1002/ anie.200704247 . — PMID 18288660 .
13. ↑ Reilly, Anthony M.; Cooper, Richard I.; Adjiman, Claire S.; Bhattacharya, Saswata; Boese, A. Daniel; Brandenburg, Jan Gerit; Bygrave, Peter J.; Bylsma, Rita; Campbell, Josh E.; Bil, Roberto; Case, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Day, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzyabchenko, Alexander; Van Eijck, Bouke P.; Elking, Dennis M.; Van Den Ende, Joost A.; Facelli, Julio C.; Ferraro, Marta B.; Fusti-Molnar, Laszlo; Gatsiou, Christina Anna; Gee, Thomas S.; De Gelder, Rene; Ghiringhelli, Luca M.; et al. (2016). "Rapport om det sjätte blindtestet av metoder för förutsägelse av organiska kristallstrukturer" . Acta Crystallographica b . 72 (4): 439-459. DOI : 10.1107/S2052520616007447 . PMC  4971545 . PMID  27484368 .
14. ↑ Dybeck, Eric C.; Abraham, Nathan S.; Schieber, Natalie P.; Michael, Michael R. (2017). "Fånga entropiska bidrag till temperaturmedierade polymorfa transformationer genom molekylär modellering." Journal of Chemical Theory and Computation . 17 (4): 1775-1787. doi : 10.1021/ acs.cgd.6b01762 .
15. ↑ Oganov AR, Chen J., Gatti C., Ma Y.-M., Yu T., Liu Z., Glass CW, Ma Y.-Z., Kurakevych OO, Solozhenko VL (2009). "Jonisk högtrycksform av elementärt bor" . naturen . 457 : 863-867. DOI : 10.1038/nature07736 . Arkiverad från originalet 2020-11-09 . Hämtad 2020-04-29 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )