Forudsigelse af krystalstruktur

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 9. november 2015; verifikation kræver 21 redigeringer .

Forudsigelse af krystalstrukturen (PCS) er forudsigelsen af ​​parametrene for krystalstrukturen af ​​et stof, hvis krystaller ikke er blevet undersøgt ved eksperimentelle beregningsmetoder ud fra første principper . Udviklingen af ​​pålidelige metoder til at forudsige forbindelsers krystalstruktur baseret på deres molekylære struktur har været en af ​​de vigtigste opgaver inden for fysisk videnskab siden 1950'erne [1] . Forskellige beregningsmetoder bruges til at løse dette problem , såsom simuleret annealing , evolutionære algoritmer , distribueret multipolanalyse , tilfældig prøveudtagning, tilfældig descent , data mining , tæthedsfunktionel teori og molekylær dynamik [2] .

Historie

Krystalstrukturerne af simple ioniske krystaller blev lært at blive forfinet i første halvdel af det 20. århundrede ved at bruge de regler , som Linus Pauling foreslog i 1929 [3] . Disse regler er blevet udvidet til at omfatte valenselektronkoncentrationen for metaller og halvledere. Forecasting og raffinement er dog meget forskellige ting. Oftest forstås forudsigelsen af ​​en krystalstruktur som søgen efter en minimumsenergi af det rumlige arrangement af atomer (eller, i tilfælde af molekylære krystaller, molekyler). Problemet har to aspekter - kombinatorisk (problemet med "søgning", i praksis, det mest akutte for uorganiske krystaller) og energi (problemet med "klassificering", det mest relevante for molekylære organiske krystaller). For komplekse ikke-molekylære krystaller ("søgeproblemet") opnås de bedste resultater ved hjælp af Martonaks version af metadynamics [4] [5] , den tilfældige søgemetode ab initio [6] og ved hjælp af Oganov-Glass evolutionære USPEX- algoritme [7] . De sidste to metoder er i stand til at løse globale optimeringsproblemer med en nøjagtighed på flere hundrede frihedsgrader, mens metadynamiske algoritmer gør det muligt at reducere alle strukturelle variable til et lille udsnit af "langsomme" generaliserede variable, hvilket ofte fører til en stabil løsning.

Molekylære krystaller

Forudsigelse af organiske krystalstrukturer er en vigtig opgave for både grundlæggende og anvendt videnskab, især for produktion af nye lægemidler og pigmenter , hvor polymorfi af strukturer er fundamental. Krystalstrukturerne af molekylære stoffer, især organiske forbindelser, er meget vanskelige at forudsige og klassificere med hensyn til stabilitet. Intermolekylære interaktioner er relativt svage, ikke-retningsbestemte og langtrækkende [8] . Dette fører til et krystalgitter, der er karakteristisk for disse forbindelser og en meget lille forskel i den frie energi af forskellige polymorfe former (ofte kun nogle få kJ/mol og meget sjældent over 10 kJ/mol) [9] . Metoder til forudsigelse af krystalstruktur tillader ofte, at mange mulige strukturer findes inden for dette lille energiområde. Sådanne små energiforskelle er svære at forudsige med en høj grad af pålidelighed og med rimelige beregningsressourcer.

Siden 2007 er der sket betydelige fremskridt inden for PCD af små organiske molekyler, hvor flere forskellige metoder har vist sig effektive [10] [11] . Den mest diskuterede metode er den indledende beregning og klassificering af energien af ​​alle mulige krystalstrukturer ved hjælp af et selektivt molekylært mekanisk kraftfelt, efterfulgt af brugen af ​​dispersionskorrigeret DFT til at evaluere gitterenergien og stabiliteten af ​​hver kandidatstruktur [12] . Nyere forsøg på at forudsige krystalstrukturer har vedrørt estimeringen af ​​den frie energi af organiske krystaller ved at inkorporere temperatureffekter og entropi ved hjælp af vibrationsanalyse eller molekylær dynamik. [13] [14]

PCS-software

Følgende koder gør det muligt at forudsige stabile og metastabile strukturer af en given kemisk sammensætning under forskellige eksterne forhold (tryk og temperatur):

• USPEX Arkiveret 15. maj 2021 på Wayback Machine  - multi-metode multifunktionel software, inklusive evolutionær algoritme og andre metoder (tilfældig prøveudtagning, evolutionær metadynamics, forbedret partikelsværmning (MPS), variabel celle metode til elastisk elastisk tape til fasemekanismer overgange). Kan bruges til atomære eller molekylære krystaller; bulkkrystaller, nanopartikler, polymerer, overfladerekonstruktioner; kan optimere energi og andre fysiske egenskaber. Ud over at finde strukturen af ​​en given sammensætning er det muligt at bestemme alle stabile sammensætninger i et multikomponentsystem med variabel sammensætning. Gratis for akademiske forskere. Brugt af over 4500 forskere verden over. Opdateres jævnligt.
• CALYPSO Arkiveret 9. juni 2020 på Wayback Machine  - Partikelsværmskrystalstrukturanalyse til identifikation/bestemmelse af krystalstruktur. Som med andre koder kan strukturdata bruges til at udvikle multifunktionelle materialer (f.eks. superledere, termoelektriske, superhårde, energimaterialer osv.). Gratis for akademiske forskere. Opdateres jævnligt.
• XtalOpt Arkiveret 15. juni 2010 på Wayback Machine  er en open source-implementering af en evolutionær algoritme. Sidste opdatering 2011.
• GULP Arkiveret 9. juni 2020 på Wayback Machine  er en pakke, der implementerer Monte Carlo-metoden og genetiske algoritmer for atomære krystaller. GULP er baseret på klassiske kraftfelter, men arbejder med mange typer kraftfelter. Gratis for akademiske forskere. Opdateres jævnligt.
• GASP Arkiveret 18. januar 2019 på Wayback Machine  - forudsiger strukturen og sammensætningen af ​​stabile og metastabile faser af krystaller, molekyler, atomklynger og defekter ud fra de første principper. Kan parres med andre energikoder, herunder: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx osv. Gratis at bruge og opdateres jævnligt.
• AIRSS Arkiveret 25. oktober 2020 på Wayback Machine - Ab initio tilfældig struktursøgning baseret på stokastisk konfiguration rumprøvetagning og med mulighed for at bruge symmetri, kemiske og fysiske begrænsninger. Bruges til at studere bulkkrystaller, lavdimensionelle materialer, klynger, punktdefekter og grænseflader. Udgivet under GPL2-licensen. Opdateres jævnligt.
• GRACE Arkiveret 29. december 2020 på Wayback Machine - designet til at forudsige molekylære krystalstrukturer, især til den farmaceutiske industri. Baseret på spredningskorrigeret tæthed funktionel teori. Kommerciel software er under aktiv udvikling.

Eksempler på implementering af PCS-tilgangen

Litteratur

• Moderne metoder til forudsigelse af krystalstruktur  (engelsk) / AR Oganov. - Berlin: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Noter

1. ↑ G. R. Desiraju. Kryptisk krystallografi  (engelsk)  // Nature Materials  : journal. - 2002. - Bd. 1 , nr. 2 . - S. 77-79 . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; catlow. Krystalstruktur forudsigelse fra første principper  (engelsk)  // Nature Materials  : journal. - 2008. - Bd. 7 , nr. 12 . - S. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Principperne, der bestemmer strukturen af ​​komplekse ioniske krystaller  //  Journal of the American Chemical Society : journal. - 1929. - Bd. 51 , nr. 4 . - S. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Forudsigelse af krystalstrukturer: Parrinello-Rahman-metoden revisited  (engelsk)  // Physical Review Letters  : journal. - 2003. - Bd. 90 , nr. 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. Krystalstrukturtransformationer i SiO 2 fra klassisk og ab initio metadynamics  (engelsk)  // Nature Materials  : journal. - 2006. - Bd. 5 , nr. 8 . - s. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ Needs. Højtryksfaser af 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. Forudsigelse af krystalstruktur ved brug af ab initio evolutionære teknikker: principper og anvendelser  //  Journal of Chemical Physics  : tidsskrift. - 2006. - Bd. 124 , nr. 10 . - S. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - . — PMID 244704 .
8. ↑ Sten Anthony. Teorien om intermolekylære  kræfter . — 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. Model forudsiger struktur af krystaller  (engelsk)  // Nature  : journal. - 2007. - Bd. 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. Betydelige fremskridt med at forudsige krystalstrukturer af små organiske molekyler – en rapport om den fjerde blindtest  //  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  (tysk)  // 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; Dag, 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 den sjette blinde test af metoder til forudsigelse af organisk krystalstruktur" . 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). "Fangst af entropiske bidrag til temperaturmedierede polymorfe transformationer gennem molekylær 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). "Ionisk højtryksform af elementært bor" . natur . 457 : 863-867. DOI : 10.1038/nature07736 . Arkiveret fra originalen 2020-11-09 . Hentet 2020-04-29 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )