Predikce krystalové struktury

Predikce krystalové struktury (PCS) je predikce parametrů krystalové struktury látky, jejíž krystaly nebyly studovány experimentálními výpočetními metodami z prvních principů . Vývoj spolehlivých metod pro predikci krystalové struktury sloučenin na základě jejich molekulární struktury je od 50. let 20. století jedním z nejdůležitějších úkolů fyzikální vědy [1] . K vyřešení tohoto problému se používají různé výpočetní metody , jako je simulované žíhání , evoluční algoritmy , distribuovaná vícepólová analýza , náhodné vzorkování, náhodný sestup , dolování dat , teorie funkce hustoty a molekulární dynamika [2] .

Historie

Krystalové struktury jednoduchých iontových krystalů se naučily zušlechťovat v první polovině 20. století pomocí pravidel navržených Linusem Paulingem v roce 1929 [3] . Tato pravidla byla rozšířena o koncentraci valenčních elektronů pro kovy a polovodiče. Prognózování a zpřesňování jsou však velmi odlišné věci. Nejčastěji se predikcí krystalové struktury rozumí hledání minimální energie prostorového uspořádání atomů (nebo v případě molekulárních krystalů molekul). Problém má dva aspekty – kombinatorický (problém „hledání“, v praxi nejakutnější u anorganických krystalů) a energetický (problém „klasifikace“, nejrelevantnější pro molekulárně organické krystaly). U komplexních nemolekulárních krystalů („problém hledání“) se nejlepších výsledků dosáhne pomocí Martonakovy verze metadynamiky [4] [5] , metody náhodného vyhledávání in ab initio [6] a pomocí Oganov -Glassova evolučního algoritmu USPEX [7] . Poslední dvě metody jsou schopny řešit globální optimalizační problémy s přesností několika set stupňů volnosti, zatímco metadynamické algoritmy umožňují redukovat všechny strukturální proměnné na malý vzorek „pomalých“ zobecněných proměnných, což často vede ke stabilnímu řešení.

Molekulární krystaly

Predikce struktur organických krystalů je důležitým úkolem pro fundamentální i aplikovanou vědu, zejména pro výrobu nových léčiv a pigmentů , kde je polymorfismus struktur zásadní. Krystalové struktury molekulárních látek, zejména organických sloučenin, je velmi obtížné předvídat a klasifikovat z hlediska stability. Mezimolekulární interakce jsou relativně slabé, nesměrové a s dlouhým dosahem [8] . To vede k charakteristice krystalové mřížky těchto sloučenin a velmi malému rozdílu ve volné energii různých polymorfních forem (často jen několik kJ/mol a velmi zřídka přesahující 10 kJ/mol) [9] . Metody predikce krystalové struktury často umožňují nalézt mnoho možných struktur v tomto malém energetickém rozsahu. Takové malé energetické rozdíly je obtížné předvídat s vysokým stupněm spolehlivosti a přiměřenými výpočetními zdroji.

Od roku 2007 došlo k významnému pokroku v PCD malých organických molekul, přičemž několik různých metod se ukázalo jako účinné [10] [11] . Nejvíce diskutovanou metodou je počáteční výpočet a klasifikace energie všech možných krystalových struktur pomocí selektivního molekulárně-mechanického silového pole, po kterém následuje použití disperzně korigovaného DFT pro hodnocení energie mřížky a stability každé kandidátní struktury [12] . Novější pokusy předpovědět krystalové struktury se týkaly odhadu volné energie organických krystalů začleněním teplotních efektů a entropie pomocí vibrační analýzy nebo molekulární dynamiky. [13] [14]

PCS software

Následující kódy umožňují předpovídat stabilní a metastabilní struktury daného chemického složení za různých vnějších podmínek (tlak a teplota):

• USPEX Archived 15. května 2021 na Wayback Machine  - multimetodový multifunkční software, včetně evolučního algoritmu a dalších metod (náhodné vzorkování, evoluční metadynamika, vylepšené rojení částic (MPS), metoda variabilních buněk elastické elastické pásky pro fázové mechanismy přechody). Lze použít pro atomové nebo molekulární krystaly; objemové krystaly, nanočástice, polymery, povrchové rekonstrukce; může optimalizovat energii a další fyzikální vlastnosti. Kromě nalezení struktury daného složení je možné určit všechna stabilní složení ve vícesložkovém systému proměnlivého složení. Zdarma pro akademické výzkumníky. Používá více než 4500 výzkumníků po celém světě. Pravidelně aktualizováno.
• CALYPSO Archivováno 9. června 2020 na Wayback Machine  - Analýza krystalové struktury roje částic pro identifikaci/určení krystalové struktury. Stejně jako u jiných kódů lze strukturní data použít k vývoji multifunkčních materiálů (např. supravodiče, termoelektrika, supertvrdé materiály, energetické materiály atd.). Zdarma pro akademické výzkumníky. Pravidelně aktualizováno.
• XtalOpt Archivováno 15. června 2010 na Wayback Machine  je open source implementace evolučního algoritmu. Poslední aktualizace 2011.
• GULP Archived 9. června 2020 na Wayback Machine  je balíček, který implementuje metodu Monte Carlo a genetické algoritmy pro atomové krystaly. GULP je založen na klasických silových polích, ale pracuje s mnoha typy silových polí. Zdarma pro akademické výzkumníky. Pravidelně aktualizováno.
• GASP Archived 18. ledna 2019 na Wayback Machine  – předpovídá strukturu a složení stabilních a metastabilních fází krystalů, molekul, atomových shluků a defektů z prvních principů. Lze spárovat s jinými energetickými kódy včetně: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx atd. Zdarma k použití a pravidelně aktualizovány.
• AIRSS Archivováno 25. října 2020 na Wayback Machine - Ab initio náhodné strukturní vyhledávání založené na vzorkování stochastického konfiguračního prostoru a s možností použití symetrie, chemických a fyzikálních omezení. Používá se ke studiu objemových krystalů, nízkorozměrných materiálů, shluků, bodových defektů a rozhraní. Vydáno pod licencí GPL2. Pravidelně aktualizováno.
• GRACE Archivováno 29. prosince 2020 na Wayback Machine – navrženo k předpovídání struktur molekulárních krystalů, zejména pro farmaceutický průmysl. Na základě disperzně korigované teorie funkcionálu hustoty. Komerční software je v aktivním vývoji.

Příklady implementace přístupu PCS

Literatura

• Moderní metody predikce krystalové struktury  (anglicky) / AR Oganov. - Berlin: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Poznámky

1. ↑ G. R. Desiraju. Kryptická krystalografie  (anglicky)  // Nature Materials  : journal. - 2002. - Sv. 1 , ne. 2 . - str. 77-79 . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; kočka. Předpověď krystalové struktury z prvních principů  (anglicky)  // Nature Materials  : journal. - 2008. - Sv. 7 , č. 12 . - S. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Principy určující strukturu komplexních iontových krystalů  //  Journal of the American Chemical Society : deník. - 1929. - Sv. 51 , č. 4 . - S. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Předvídání krystalových struktur: Metoda Parrinello-Rahman revisited  (anglicky)  // Physical Review Letters  : journal. - 2003. - Sv. 90 , č. 3 . - str. 341-353 . - doi : 10.1016/0027-5107(78)90203-8 . — PMID 75502 .
5. ↑ Martonak R., Donadio D., Oganov AR, Parrinello M.; donadio; Oganov; Parrinello. Transformace krystalové struktury v SiO 2 z klasické a ab initio metadynamiky  (anglicky)  // Nature Materials  : journal. - 2006. - Sv. 5 , č. 8 . - S. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ Needs. Vysokotlaké fáze silanu // Physical Review Letters . - 2006. - T. 97 , č. 4 . - S. 045504 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.045504 . - . - arXiv : cond-mat/0604454 . — PMID 16907590 .
7. ↑ A. R. Oganov, C. W. Glass. Predikce krystalové struktury pomocí ab initio evolučních technik: principy a aplikace  //  Journal of Chemical Physics  : journal. - 2006. - Sv. 124 , č. 10 . - S. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - . — PMID 244704 .
8. ↑ Kamenný Antonín. Teorie mezimolekulárních  sil . — Oxford University Press , 2013.
9. ↑ Nyman Jonas, Day Graeme M. Rozdíly statické a mřížkové vibrační energie mezi  polymorfy //  CrystEngComm : deník. - doi : 10.1039/C5CE00045A .
10. ↑ K. Sanderson. Model předpovídá strukturu krystalů  (anglicky)  // Nature  : journal. - 2007. - Sv. 450 , č. 7171 . - str. 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. Významný pokrok v předpovídání krystalové struktury malých organických molekul – zpráva o čtvrtém slepém testu  //  Acta Crystallographica B : deník. - Mezinárodní unie krystalografie , 2009. - Sv. 65 , č. Pt 2 . - str. 107-125 . - doi : 10.1107/S0108768109004066 .
12. ↑ MA Neumann, FJJ Leusen, J. Kendrick; Leusen; Kendrick. Velký pokrok v predikci krystalové struktury  (německy)  // Mezinárodní vydání Angewandte Chemie  : časopis. - 2008. - Bd. 47 , č. 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; Braniborsko, Jan Gerit; Bygrave, Peter J.; Bylsma, Rita; Campbell, Josh E.; Auto, Roberto; Případ, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Day, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzjabčenko, Alexandr; 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, René; Ghiringhelli, Luca M.; a kol. (2016). „Zpráva o šestém slepém testu metod predikce struktury organických krystalů“ . 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). "Zachycení entropických příspěvků k polymorfním transformacím zprostředkovaným teplotou prostřednictvím molekulárního modelování." 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). „Iontová vysokotlaká forma elementárního boru“ . příroda . 457 : 863-867. DOI : 10.1038/nature07736 . Archivováno z originálu dne 2020-11-09 . Staženo 29. 4. 2020 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )