Predicția structurii cristaline

Predicția structurii cristaline (PCS) este predicția parametrilor structurii cristaline a unei substanțe, ale cărei cristale nu au fost studiate prin metode experimentale de calcul din primele principii . Dezvoltarea unor metode fiabile de predicție a structurii cristaline a compușilor pe baza structurii lor moleculare a fost una dintre cele mai importante sarcini ale științei fizice încă din anii 1950 [1] . Pentru a rezolva această problemă sunt utilizate diferite metode de calcul , cum ar fi recoacere simulată , algoritmi evolutivi , analiza multipol distribuită , eșantionare aleatorie, coborâre aleatorie , extragere de date , teoria funcțională a densității și dinamica moleculară [2] .

Istorie

Structurile cristaline ale cristalelor ionice simple au fost învățate să fie rafinate în prima jumătate a secolului al XX-lea folosind regulile propuse de Linus Pauling în 1929 [3] . Aceste reguli au fost extinse pentru a include concentrația de electroni de valență pentru metale și semiconductori. Cu toate acestea, prognoza și rafinamentul sunt lucruri foarte diferite. Cel mai adesea, predicția unei structuri cristaline este înțeleasă ca căutarea unei energii minime a aranjamentului spațial al atomilor (sau, în cazul cristalelor moleculare, moleculelor). Problema are două aspecte - combinatorie (problema „căutării”, în practică, cea mai acută pentru cristalele anorganice) și energetică (problema „clasificării”, cea mai relevantă pentru cristalele organice moleculare). Pentru cristalele nemoleculare complexe („problema de căutare”), cele mai bune rezultate sunt obținute folosind versiunea lui Martonak a metadinamicii [4] [5] , metoda de căutare aleatorie ab initio [6] și folosind algoritmul USPEX evolutiv Oganov -Glass [7] . Ultimele două metode sunt capabile să rezolve probleme globale de optimizare cu o precizie de câteva sute de grade de libertate, în timp ce algoritmii metadinamici permit reducerea tuturor variabilelor structurale la un eșantion mic de variabile generalizate „lente”, ceea ce duce adesea la o soluție stabilă.

Cristale moleculare

Predicția structurilor cristaline organice este o sarcină importantă atât pentru știința fundamentală, cât și pentru știința aplicată, în special pentru producerea de noi produse farmaceutice și pigmenți , unde polimorfismul structurilor este fundamental. Structurile cristaline ale substanțelor moleculare, în special ale compușilor organici, sunt foarte greu de prezis și de clasificat din punct de vedere al stabilității. Interacțiunile intermoleculare sunt relativ slabe, nedirecționale și de lungă durată [8] . Aceasta duce la o rețea cristalină caracteristică acestor compuși și la o diferență foarte mică în energia liberă a diferitelor forme polimorfe (deseori doar câțiva kJ/mol și foarte rar depășind 10 kJ/mol) [9] . Metodele de predicție a structurii cristaline permit adesea găsirea multor structuri posibile în acest interval mic de energie. Aceste diferențe de energie mici sunt greu de prezis cu un grad ridicat de fiabilitate și cu resurse de calcul rezonabile.

Din 2007, s-au făcut progrese semnificative în PCD a moleculelor organice mici, mai multe metode diferite fiind dovedite eficiente [10] [11] . Metoda cea mai discutată este calculul și clasificarea inițială a energiei tuturor structurilor cristaline posibile folosind un câmp de forță mecanic molecular selectiv, urmată de utilizarea DFT corectată la dispersie pentru a evalua energia rețelei și stabilitatea fiecărei structuri candidate [12] . Încercările mai recente de a prezice structurile cristaline s-au referit la estimarea energiei libere a cristalelor organice prin încorporarea efectelor de temperatură și a entropiei folosind analiza vibrațională sau dinamica moleculară. [13] [14]

Software PCS

Următoarele coduri fac posibilă prezicerea structurilor stabile și metastabile ale unei anumite compoziții chimice în diferite condiții externe (presiune și temperatură):

• USPEX Arhivat 15 mai 2021 la Wayback Machine  - software multifuncțional cu metode multiple, inclusiv algoritm evolutiv și alte metode (eșantionare aleatorie, metadinamică evolutivă, roire îmbunătățită de particule (MPS), metoda cu celule variabile a benzii elastice pentru mecanisme de fază tranziții). Poate fi folosit pentru cristale atomice sau moleculare; cristale în vrac, nanoparticule, polimeri, reconstrucții de suprafață; poate optimiza energia și alte proprietăți fizice. Pe lângă găsirea structurii unei compoziții date, este posibil să se determine toate compozițiile stabile într-un sistem multicomponent de compoziție variabilă. Gratuit pentru cercetătorii academicieni. Folosit de peste 4500 de cercetători din întreaga lume. Actualizat regulat.
• CALYPSO Arhivat 9 iunie 2020 la Wayback Machine  - Analiza structurii cristaline a roiului de particule pentru identificarea/determinarea structurii cristaline. Ca și în cazul altor coduri, datele de structură pot fi utilizate pentru a dezvolta materiale multifuncționale (de exemplu, supraconductori, termoelectrice, superharduri, materiale energetice etc.). Gratuit pentru cercetătorii academicieni. Actualizat regulat.
• XtalOpt Arhivat 15 iunie 2010 la Wayback Machine  este o implementare open source a unui algoritm evolutiv. Ultima actualizare 2011.
• GULP Arhivat pe 9 iunie 2020 la Wayback Machine  este un pachet care implementează metoda Monte Carlo și algoritmi genetici pentru cristalele atomice. GULP se bazează pe câmpuri de forță clasice, dar funcționează cu multe tipuri de câmpuri de forță. Gratuit pentru cercetătorii academicieni. Actualizat regulat.
• GASP Arhivat 18 ianuarie 2019 la Wayback Machine  - prezice structura și compoziția fazelor stabile și metastabile de cristale, molecule, clustere atomice și defecte din primele principii. Poate fi asociat cu alte coduri de energie, inclusiv: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx, etc. Utilizare gratuită și actualizată regulat.
• AIRSS Arhivat 25 octombrie 2020 la Wayback Machine - Căutare ab initio de structură aleatorie bazată pe eșantionarea spațiului de configurare stocastică și cu posibilitatea de a utiliza simetrie, constrângeri chimice și fizice. Folosit pentru a studia cristale în vrac, materiale cu dimensiuni reduse, clustere, defecte punctuale și interfețe. Lansat sub licență GPL2. Actualizat regulat.
• GRACE Arhivat 29 decembrie 2020 la Wayback Machine - conceput pentru a prezice structurile cristaline moleculare, în special pentru industria farmaceutică. Bazat pe teoria funcțională a densității corectate la dispersie. Software-ul comercial este în curs de dezvoltare activă.

Exemple de implementare a abordării PCS

Literatură

• Metode moderne de predicție a structurii cristaline  (engleză) / AR Oganov. - Berlin: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Note

1. ↑ G. R. Desiraju. Cryptic crystallography  (engleză)  // Nature Materials  : journal. - 2002. - Vol. 1 , nr. 2 . - P. 77-79 . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; catlow. Predicția structurii cristaline din primele principii  (engleză)  // Nature Materials  : journal. - 2008. - Vol. 7 , nr. 12 . - P. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — Cod biblic . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Principiile care determină structura cristalelor ionice complexe  //  Journal of the American Chemical Society : jurnal. - 1929. - Vol. 51 , nr. 4 . - P. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Predicția structurilor cristaline: metoda Parrinello-Rahman revizuită  (engleză)  // Physical Review Letters  : jurnal. - 2003. - Vol. 90 , nr. 3 . - P. 341-353 . - doi : 10.1016/0027-5107(78)90203-8 . — PMID 75502 .
5. ↑ Martonak R., Donadio D., Oganov AR, Parrinello M.; donadio; Oganov; Parrinello. Transformări ale structurii cristaline în SiO 2 din metadinamica clasică și ab initio  (engleză)  // Nature Materials  : journal. - 2006. - Vol. 5 , nr. 8 . - P. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ Needs. Fazele de înaltă presiune ale silanului // Scrisori de revizuire fizică . - 2006. - T. 97 , nr. 4 . - S. 045504 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.045504 . - Cod . - arXiv : cond-mat/0604454 . — PMID 16907590 .
7. ↑ A. R. Oganov, C. W. Glass. Predicția structurii cristaline folosind tehnici evolutive ab initio: principii și aplicații  //  Journal of Chemical Physics  : journal. - 2006. - Vol. 124 , nr. 10 . - P. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - Cod . — PMID 244704 .
8. ↑ Stone Anthony. Teoria forțelor intermoleculare  . — Oxford University Press , 2013.
9. ↑ Nyman Jonas, Day Graeme M. Diferențele de energie vibrațională statică și latice între  polimorfe //  CrystEngComm : jurnal. - doi : 10.1039/C5CE00045A .
10. ↑ K. Sanderson. Modelul prezice structura cristalelor  (engleză)  // Nature  : journal. - 2007. - Vol. 450 , nr. 7171 . - P. 771 . - doi : 10.1038/450771a . — Cod . — 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. Progrese semnificative în predicția structurile cristaline ale moleculelor organice mici – un raport asupra celui de-al patrulea test orb  //  Acta Crystallographica B : jurnal. - Uniunea Internațională de Cristalografie , 2009. - Vol. 65 , nr. Pt 2 . - P. 107-125 . - doi : 10.1107/S0108768109004066 .
12. ↑ MA Neumann, FJJ Leusen, J. Kendrick; Leusen; Kendrick. A Major Advance in Crystal Structure Prediction  (germană)  // 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.; Car, Roberto; Case, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Day, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzyabcenko, Alexandru; 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). „Raport privind al șaselea test orb al metodelor de predicție a structurii cristaline organice” . 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). „Capturarea contribuțiilor entropice la transformările polimorfe mediate de temperatură prin modelare moleculară.” 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). „Forma ionică de înaltă presiune a borului elementar” . natura . 457 : 863-867. DOI : 10.1038/nature07736 . Arhivat din original pe 09.11.2020 . Consultat 2020-04-29 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )