Цивилизация
Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева в составе международного коллектива разработали универсальную математическую модель, позволяющую с высокой точностью воссоздавать форму кристаллов химических веществ самой разной природы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
Форма кристалла определяет многие его физические и химические свойства, такие как растворимость и поверхностные свойства. В качестве строительных единиц ученые рассматривают два типа геометрических полиэдров (многогранников): так называемые тайлы, или полиэдрические полости в структуре кристалла, и полиэдры Вороного, которые имитируют форму атома или молекулы в кристаллическом поле. Эти два типа полиэдров противоположны друг другу: если в центре тайла находится центр полости кристалла, а в вершинах – атомы, то в центре полиэдра Вороного – атом, а в вершинах – центры полостей. Любой кристалл может быть представлен в виде совокупности таких полиэдров.
Исследователи предложили использовать полиэдры в качестве исходных «кирпичиков» для математического моделирования роста кристалла любого химического соединения. Самарские ученые внесли вклад в общую модель – определили способы соединения этих «кирпичиков» в кристалле.
Модель состоит из двух частей: статической и динамической. Первую, статическую, часть модели разработали ученые Самарского национального исследовательского университета. Их работа включала в себя создание теоретических концепций, алгоритмов и программного обеспечения на базе уникального программного комплекса ToposPro, который ученые из Самары разработали более 20 лет назад и с тех пор непрерывно совершенствуют. ToposPro позволяет в автоматическом режиме строить и исследовать математические модели кристаллических структур, опираясь на последние достижения в области геометрии, топологии и теории графов.
В отличие от популярных сейчас методов квантовой и статистической механики, модели ToposPro достаточно просты для поиска закономерностей в десятках и сотнях тысяч известных кристаллических веществ. Комбинация этих двух подходов обещает уже в ближайшем будущем привести к созданию баз данных и экспертных систем, позволяющих с высокой точностью прогнозировать новые материалы с заданными свойствами.
Вторая часть модели – динамическая – имитирует процесс сборки кристалла из полиэдров. При этом моделируется как кристаллизация, процесс присоединения строительных единиц к растущему кристаллу, так и растворение кристалла — удаление (элиминирование) атомов от уже сформировавшейся части кристалла. Какая именно строительная единица присоединится или удалится в данный момент времени и с какой вероятностью, определяется концентрацией этих единиц в растворе, разницей в их энергиях в растворе и кристалле, а также способом их связывания с поверхностью кристалла, определенным в статической части модели. Динамическая часть модели – это разработка британских ученых из Университета Манчестера. Остальные соавторы статьи (из Австралии, Норвегии и Великобритании) провели экспериментальную проверку созданных математических моделей.
Универсальность разработанной модели определяется универсальностью представления кристалла как совокупности полиэдрических «кирпичиков».
«В статье мы представили модель для совершенно разных классов химических веществ, таких как цеолиты (неорганические микропористые соединения), ионные неорганические вещества (кальцит), органические кристаллы (мочевина), металлорганические соединения. Сейчас мы работаем над ее применением к металлам, сплавам и интерметаллидам», – рассказал один из авторов, директор Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ), профессор Владислав Блатов.
Разработка международной группы ученых позволит прогнозировать свойства как уже известных, так и еще не созданных природой или человеком веществ и материалов. По словам Владислава Блатова, публикацией заинтересовались британские фармацевтические компании: результаты работы ученых помогут им в создании новых лекарств.
