Kiteen rakenteen ennustus

Kiderakenteen ennustaminen (PCS) on sellaisen aineen kiderakenteen parametrien ennustamista , jonka kiteitä ei ole tutkittu kokeellisilla laskentamenetelmillä ensimmäisistä periaatteista alkaen . Luotettavien menetelmien kehittäminen yhdisteiden kiderakenteen ennustamiseksi niiden molekyylirakenteen perusteella on ollut yksi fysiikan tärkeimmistä tehtävistä 1950-luvulta lähtien [1] . Tämän ongelman ratkaisemiseen käytetään erilaisia ​​laskennallisia menetelmiä , kuten simuloitua hehkutusta , evoluutioalgoritmeja , hajautettua moninapaanalyysiä , satunnaisotosta, satunnaislaskua .tiedon louhinta , tiheysfunktionaaliteoria ja molekyylidynamiikka [2] .

Historia

Yksinkertaisten ionikiteiden kiderakenteita opittiin jalostamaan 1900-luvun alkupuoliskolla Linus Paulingin vuonna 1929 ehdottamien sääntöjen mukaisesti [3] . Näitä sääntöjä on laajennettu sisältämään metallien ja puolijohteiden valenssielektronipitoisuuden. Ennustaminen ja tarkentaminen ovat kuitenkin hyvin eri asioita. Useimmiten kiderakenteen ennustaminen ymmärretään atomien (tai molekyylikiteiden tapauksessa molekyylien) avaruudellisen järjestelyn minimienergian etsimiseksi. Ongelmalla on kaksi näkökohtaa - kombinatorinen ("haun ongelma", käytännössä akuutein epäorgaanisille kiteille) ja energia ("luokituksen ongelma", olennaisin molekyylien orgaanisten kiteiden kannalta). Monimutkaisille ei-molekyylikiteille ("hakuongelma") parhaat tulokset saadaan käyttämällä Martonakin metadynamiikkaa [4] [5] , satunnaishakumenetelmää ab initio [6] ja käyttämällä Oganov -Glassin evolutionaarista USPEX- algoritmia. [7] . Kaksi viimeistä menetelmää pystyvät ratkaisemaan globaaleja optimointiongelmia useiden satojen vapausasteiden tarkkuudella, kun taas metadynaamiset algoritmit mahdollistavat kaikkien rakenteellisten muuttujien pelkistämisen pieneen "hitaiden" yleistettyjen muuttujien otokseen, mikä usein johtaa vakaaseen ratkaisuun.

Molekyylikiteet

Orgaanisten kiderakenteiden ennustaminen on tärkeä tehtävä sekä perus- että soveltavalle tieteelle, erityisesti uusien lääkkeiden ja pigmenttien valmistukseen , jossa rakenteiden polymorfismi on perustavanlaatuista. Molekyyliaineiden, erityisesti orgaanisten yhdisteiden, kiderakenteita on erittäin vaikea ennustaa ja luokitella stabiilisuuden kannalta. Molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat suhteellisen heikkoja, suuntaamattomia ja pitkän kantaman [8] . Tämä johtaa näille yhdisteille ominaiseen kidehilaan ja hyvin pieneen eroon erilaisten polymorfisten muotojen vapaassa energiassa (usein vain muutama kJ/mol ja hyvin harvoin yli 10 kJ/mol) [9] . Kiderakenteen ennustusmenetelmät antavat usein mahdollisuuden löytää monia mahdollisia rakenteita tällä pienellä energia-alueella. Tällaisia ​​pieniä energiaeroja on vaikea ennustaa suurella luotettavuudella ja kohtuullisilla laskentaresursseilla.

Vuodesta 2007 lähtien pienten orgaanisten molekyylien PCD:ssä on edistytty merkittävästi, ja useat erilaiset menetelmät ovat osoittautuneet tehokkaiksi [10] [11] . Yleisimmin käsitelty menetelmä on kaikkien mahdollisten kiderakenteiden energian ensimmäinen laskenta ja luokittelu käyttämällä selektiivistä molekyylimekaanista voimakenttää, minkä jälkeen käytetään dispersiokorjattua DFT :tä kunkin ehdokasrakenteen hilaenergian ja stabiilisuuden arvioimiseksi [12] . . Uudemmat yritykset ennustaa kiderakenteita ovat koskeneet orgaanisten kiteiden vapaan energian arviointia ottamalla mukaan lämpötilavaikutukset ja entropia käyttämällä värähtelyanalyysiä tai molekyylidynamiikkaa. [13] [14]

PCS-ohjelmisto

Seuraavat koodit mahdollistavat tietyn kemiallisen koostumuksen stabiilien ja metastabiilien rakenteiden ennustamisen erilaisissa ulkoisissa olosuhteissa (paine ja lämpötila):

• USPEX arkistoitu 15. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa  - monimenetelmäinen monitoimiohjelmisto, mukaan lukien evoluutioalgoritmi ja muut menetelmät (satunnaisnäytteenotto, evolutionaarinen metadynamiikka, parannettu hiukkasten swarming (MPS), muuttuvasolumenetelmä joustavasta elastisesta nauhasta vaihemekanismeja varten siirtymät). Voidaan käyttää atomi- tai molekyylikiteille; bulkkikiteet, nanohiukkaset, polymeerit, pintarekonstruktiot; voi optimoida energiaa ja muita fysikaalisia ominaisuuksia. Tietyn koostumuksen rakenteen löytämisen lisäksi on mahdollista määrittää kaikki stabiilit koostumukset vaihtelevan koostumuksen monikomponenttijärjestelmässä. Ilmainen akateemisille tutkijoille. Käyttää yli 4500 tutkijaa maailmanlaajuisesti. Päivitetään säännöllisesti.
• CALYPSO Arkistoitu 9. kesäkuuta 2020 Wayback Machinessa  - Hiukkasparvikiderakenneanalyysi kiderakenteen tunnistamista/määrittämistä varten. Kuten muissakin koodeissa, rakennedataa voidaan käyttää monitoimisten materiaalien (esim. suprajohteiden, lämpösähköisten, superkovien, energiamateriaalien jne.) kehittämiseen. Ilmainen akateemisille tutkijoille. Päivitetään säännöllisesti.
• XtalOpt Arkistoitu 15. kesäkuuta 2010 Wayback Machinessa  on evolutionaarisen algoritmin avoimen lähdekoodin toteutus. Viimeisin päivitys 2011.
• GULP Arkistoitu 9. kesäkuuta 2020 Wayback Machinessa  on paketti, joka toteuttaa Monte Carlo -menetelmän ja geneettiset algoritmit atomikiteille. GULP perustuu klassisiin voimakenttiin, mutta toimii monen tyyppisten voimakenttien kanssa. Ilmainen akateemisille tutkijoille. Päivitetään säännöllisesti.
• GASP Arkistoitu 18. tammikuuta 2019 Wayback Machinessa  - ennustaa kiteiden, molekyylien, atomiklustereiden ja vikojen stabiilien ja metastabiilien faasien rakenteen ja koostumuksen ensimmäisistä periaatteista. Voidaan yhdistää muihin energiakoodeihin, mukaan lukien: VASP, LAMMPS, MOPAC, Gulp, JDFTx jne. Ilmainen käyttää ja päivitetään säännöllisesti.
• AIRSS Arkistoitu 25. lokakuuta 2020 Wayback Machinessa - Ab initio satunnainen rakennehaku, joka perustuu stokastiseen konfiguraatioavaruuden näytteenottoon ja jossa on mahdollisuus käyttää symmetriaa, kemiallisia ja fysikaalisia rajoituksia. Käytetään bulkkikiteiden, pieniulotteisten materiaalien, klustereiden, pistevikojen ja rajapintojen tutkimiseen. Julkaistu GPL2-lisenssillä. Päivitetään säännöllisesti.
• GRACE Arkistoitu 29. joulukuuta 2020 Wayback Machinessa – suunniteltu ennustamaan molekyylikiderakenteita erityisesti lääketeollisuudelle. Perustuu dispersiokorjatun tiheyden funktionaaliseen teoriaan. Kaupallisia ohjelmistoja kehitetään aktiivisesti.

Esimerkkejä PCS-lähestymistavan toteutuksesta

Kirjallisuus

• Modernit menetelmät kristallirakenteen ennustamiseen  (englanniksi) / AR Oganov. - Berliini: Wiley-VCH , 2010. - ISBN 978-3-527-40939-6 .

Muistiinpanot

1. ↑ G. R. Desiraju. Kryptinen kristallografia  (englanti)  // Nature Materials  : Journal. - 2002. - Voi. 1 , ei. 2 . - s. 77-79 . - doi : 10.1038/nmat726 . — PMID 12618812 .
2. ↑ SM Woodley, R. Catlow; catlow. Kristallirakenteen ennuste ensimmäisistä periaatteista  (englanniksi)  // Nature Materials  : Journal. - 2008. - Voi. 7 , ei. 12 . - s. 937-946 . - doi : 10.1038/nmat2321 . — . — PMID 19029928 .
3. ↑ L. Pauling . Periaatteet, jotka määrittävät monimutkaisten ionikiteiden rakenteen  //  Journal of the American Chemical Society : päiväkirja. - 1929. - Voi. 51 , nro. 4 . - s. 1010-1026 . - doi : 10.1021/ja01379a006 .
4. ↑ Martonak R., Laio A., Parrinello M.; Schmid; Bauchinger. Kiderakenteiden ennustaminen: Parrinello-Rahmanin menetelmä uudelleen  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2003. - Voi. 90 , ei. 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. Klassisesta ja ab initio metadynamiikasta peräisin olevat kiderakenteen  muutokset SiO 2 :ssa (englanniksi)  // Nature Materials  : Journal. - 2006. - Voi. 5 , ei. 8 . - s. 623-626 . - doi : 10.1038/nmat1696 . - . — PMID 16845414 .
6. ↑ CJ Pickard, RJ Needs. Silaanin korkeapaineiset vaiheet // Physical Review Letters . - 2006. - T. 97 , nro 4 . - S. 045504 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.045504 . - . - arXiv : cond-mat/0604454 . — PMID 16907590 .
7. ↑ A. R. Oganov, C. W. Glass. Kiderakenteen ennustaminen ab initio -evoluutiotekniikoilla: periaatteet ja sovellukset  //  Journal of Chemical Physics  : Journal. - 2006. - Voi. 124 , nro. 10 . - s. 8-13 . - doi : 10.1063/1.2210932 . - . — PMID 244704 .
8. ↑ Stone Anthony. Molekyylienvälisten voimien teoria  . – Oxford University Press , 2013.
9. ↑ Nyman Jonas, Day Graeme M. Staattisen ja hilan värähtelyenergiaerot  polymorfien välillä //  CrystEngComm : päiväkirja. - doi : 10.1039/C5CE00045A .
10. ↑ K. Sanderson. Malli ennustaa kiteiden rakennetta  (englanniksi)  // Nature  : Journal. - 2007. - Voi. 450 , ei. 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. Merkittävää edistystä ennustamisessa pienten orgaanisten molekyylien kiderakenteet – raportti neljännestä sokkotestistä  //  Acta Crystallographica B : päiväkirja. - International Union of Crystallography , 2009. - Voi. 65 , no. 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  (saksa)  // Angewandte Chemie International Edition  : Magazin. - 2008. - Bd. 47 , nro. 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.; Auto, Roberto; Case, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Day, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzyabchenko, Aleksanteri; 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 ai. (2016). "Raportti orgaanisten kiderakenteen ennustusmenetelmien kuudennesta sokkotestistä" . 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). "Entrooppisten vaikutusten vangitseminen lämpötilavälitteisiin polymorfisiin transformaatioihin molekyylimallinnuksen avulla." 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). "Alkuaineboorin ioninen korkeapainemuoto" . luonto . 457 : 863-867. DOI : 10.1038/luonto07736 . Arkistoitu alkuperäisestä 2020-11-09 . Haettu 29.04.2020 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )