КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 16-13-10158

НазваниеГибридные тополого-квантовохимические методы прогнозирования адсорбционных, каталитических и сенсорных свойств микропористых каркасных и низкоразмерных материалов

РуководительБлатов Владислав Анатольевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2016 г. - 2018 г.

, продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-701 - Структура и свойства органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаЭкспертные системы, базы знаний, топологический анализ, методы функционала плотности, методы молекулярной динамики, микропористые материалы, адсорбенты, катализаторы, сенсоры, методы предсказания материалов, дизайн материалов, масштабный компьютерный скрининг

Код ГРНТИ31.01.77

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на создание гибридных тополого-квантовохимических методов прогнозирования адсорбционных, каталитических и сенсорных свойств микропористых каркасных и низкоразмерных материалов. Важным следствием разработки таких методов является решение важнейшей проблемы современного науки: ускорение и удешевление разработки новых материалов. Высокая перспективность микропористых металл-органических соединений (МОС) и цеолитоподобных веществ для практического применения в качестве сорбентов, катализаторов и сенсоров обуславливает постоянную необходимость в развитии возможностей дизайна материалов на их основе, а также в создании компьютерных систем, позволяющих предсказывать состав и свойства и новых структур. Несмотря на то, что в настоящее время синтезировано только 230 каркасов цеолитов, разнообразие возможных комбинаций строительных единиц микропористых структур практически бесконечно. Размеры, форма и топология пустот, свободный объем, типы переплетений, магнитные, электрические, каталитические, сорбционные, механические и многие другие свойства микропористых материалов зависят от топологии системы связей в их атомной структуре. Установление этих корреляций между перечисленными параметрами является первоочередной задачей для современной неорганической химии, материаловедения, физической химии и кристаллохимии. Существенную роль в решении этой задачи играет изучение принципов структурной организации, моделирование и прогнозирование микропористых материалов новыми методами кристаллохимического анализа и квантово-химическими расчетными методами. Тем не менее, работы в данной области либо ограничиваются исследованием определенных классов веществ, не затрагивая всей совокупности доступной информации о строении МОС и цеолитов и всех возможных корреляций перечисленных свойств материалов, либо останавливаются на создании некоего справочника результатов расчета узкого набора конкретных свойств (например, адсорбция метана или углекислого газа). Потребность в повышении эффективности прогнозирования структуры и свойств микропористых материалов создает необходимость разработки инструментов интеллектуального анализа данных. С помощью этих инструментов можно проводить поиск закономерностей между особенностями строения, электронными параметрами, физическими и химическими свойствами материалов. Активно развиваются методы изучения количественных отношений структура-свойства, которые могут быть реализованы с помощью алгоритмов машинного обучения, искусственных нейронных сетей, масштабного скрининга обширных баз данных рассчитанных свойств реальных материалов и др. Авторами проекта разрабатывается собственный подход, основанный на эвристическом анализе баз данных с последующим построением баз знаний и разработкой экспертных систем материалов. Современные мировые исследования и тенденции в материаловедении показывают, что комбинирование различных парадигм, подходов, методов позволяет получить качественно новые результаты и совершить скачок в развитии науки в целом. В связи с этим в рамках проекта будет реализовано объединение возможностей различных программных инструментов и теоретических подходов для предсказания структуры и свойств микропористых материалов. К ним относятся: 1) Кембриджский банк структурных данных (КБСД), База данных неорганических структур (БДНС) и Пирсоновская структурная база данных, содержащие кристаллоструктурные данные для неорганических, органических и металл-органических координационных соединений; 2) разработанный нами комплекс структурно-топологических программ для кристаллохимического анализа ToposPro; 3) современные методы компьютерного моделирования структуры и свойств материалов, основанные на ab initio вычислениях в рамках теории функционала плотности (ТФП) и методе Хартри-Фока (ХФ), а также их сочетании; 4) методы молекулярной динамики, позволяющие моделировать поведение материалов и молекулярных систем при различных термодинамических условиях; 5) эвристические алгоритмы поиска корреляций между химическим составом соединения, локальными и глобальными топологическими характеристиками его кристаллической структуры. Мы планируем разработать новый подход в теории дизайна новых материалов, заключающийся в сочетании методов кристаллохимического анализа и методов математического моделирования (квантовой механики и молекулярной динамики). Данный подход основан на использовании программного пакета ToposPro, развиваемого авторами проекта, и широко известных программных пакетов ab initio вычислений в квантовой физике и химии твердого тела CRYSTAL (http://www.crystal.unito.it), VASP (http://cms.pmi.univie.ac.at) и GAUSSIAN. В процессе выполнения проекта разрабатываемые участниками проекта гибридные тополого-квантовохимические методы теоретического анализа и прогнозирования свойств кристаллических материалов дополнятся возможностью анализа новых геометрических, топологических, электронных и энергетических характеристик пористых структур. Кроме того, разрабатываемая нами и не имеющая мировых аналогов экспертная система пополниться новыми алгоритмами для эвристического анализа микропористых материалов, поиска закономерностей "состав - структура - свойство" и прогнозирования адсорбционных, каталитических и сенсорных свойств материалов.

Ожидаемые результаты
C помощью имеющихся в комплексе ToposPro алгоритмов построения матрицы связности и анализа периодичности кристаллических структур будет осуществлен поиск в КБСД и БДНС кристаллоструктурных данных по всем известным МОС (более 400 000), цеолитам и цеолитоподобным каркасам, включая гипотетические цеолиты (более 250 000). Используя алгоритм топологической классификации свернутых фактор-графов, реализованный в комплексе ToposPro, для выборки МОС, цеолитов и цеолитоподобных каркасов будет построена исчерпывающая топологическая систематика, включающая определение топологических типов, наборов (тайлингов) элементарных строительных клеток (тайлов), дуальных сеток, симметрийных и топологических типов переплетений. Будет произведен поиск строительных единиц (центральных атомов, лигандов, кластеров, полиядерных комплексных групп, элементарных клеток) и формирование соответствующей базы данных. Развитые нами ранее топологические методы анализа будут дополнены возможностью расчета новых топологических характеристик пористой структуры, таких как периодичность системы каналов, а также их разветвленность и топологический тип. Кроме того, будет реализована новая математическая модель оценки тензора упругости атомных сеток в однородном гармоническом приближении. Это позволит достаточно быстро оценить параметры 3-мерной картины упругого поведения структуры в процессе сорбции и десорбции молекул гостей. Кроме того, будет производен анализ свободного пространства кристаллических структур на основе метода разбиения кристаллического пространства на полиэдры Вороного-Дирихле (ПВД). В результате проведенных расчетов будут определены следующие характеристики: объем свободного пространства, площадь активной поверхности, размер пор и каналов, элементный и функциональный состав поверхности, топология сообщения каналов (периодичность, разветвленность, тип) и топология поверхности пор и каналов (развитость и тип). Для решения поставленных задач будут разрабатываться новые алгоритмы: - сортировки вершин ПВД по принадлежности к конкретной структурной группировке; - построения ПВД центров полостей (представляющих геометрический образ этих полостей) с учетом ван-дер-ваальсовых радиусов атомов; - расчета объема и площади ПВД пор и каналов; - аппроксимации геометрических образов полостей строительных единиц простыми геометрическими фигурами. С помощью методов квантовых расчетов и ТФП для МОС, построенных с участием лигандов Py-R-Py и R(CO2)n (R – спейсер, Py – пиридин), и цеолитов на основе t-hpr-единиц (гексагональные призмы {Si12O18}), будут определены следующие характеристики: энергия, тензор упругости, зонная структура, распределение электронной плотности и электростатического потенциала, энергия взаимодействий хозяин-гость, электронные переходы, теплоемкость, магнитная восприимчивость. Методами молекулярного моделирования будут определены сорбционные, сенсорные и каталитические свойства указанных выше соединений. Будут предсказаны состав и свойства новых микропористых соединений. Для описанных выше микропористых каркасов, содержащих включения молекул ароматических веществ, будут рассчитаны новые гибридные тополого-квантовохимические дескрипторы: 1) распределение электронной плотности, заряда и потенциала по поверхности ПВД тайлов и окон в каналах; 2) топология поверхности канала, его морфология, конфигурация взаимодействий с молекулами включений; 3) энергия, телесный угол, площадь и объем контакта молекул субстрата с координационными центрами и функциональными группами поверхности пор. Будет установлена корреляция этих параметров с селективностью адсорбции, сенсорной и каталитической активностью. В рамках проекта также будет развиваться новое направление в материаловедении, связанное с использованием и разработкой инструментов интеллектуального анализа данных, позволяющих производить поиск корреляций между строением, электронными параметрами, физическими и химическими свойствами материалов. Выявленные корреляции «состав-структура-свойства» сформируют материал базы знаний микропористых материалов. Будет разработан, реализован в программной среде и опробован новый модуль экспертной системы для конструирования структуры и моделирования свойств новых микропористых материалов. Полученные с помощью экспертной системой прогнозы помогут в создании новых материалов, которые могут использоваться как: сорбенты, катализаторы, газовые накопители, молекулярных сита и контейнеры, магнитные, оптические, электрические, механические и химические сенсоры. Совершенствование экспертной системы и предсказание с ее помощью новых функциональных материалов имеет большое значение для экономики и общества, и, в частности, для развития научно-технического потенциала Самарской области. Так, сорбенты и сенсоры необходимы для производства сложных аналитических систем, используемых для контроля в производстве, экологического мониторинга, установления качества сырья и продукции, обеспечения безопасности в нефтегазовой, пищевой, химической и машиностроительной отраслях промышленности. Катализаторы играют важную роль в повышении эффективности нефтепереработки, совершенствования производства полимерных материалов, разработке новых и улучшении известных технологий химического синтеза и утилизации отходов. Молекулярные сита необходимы для очистки воды и химического сырья (например, непредельных углеводородов в производстве каучуков и резин). Молекулярные ловушки (накопители) используются в современных системах хранения токсичных и взрывоопасных веществ, а также газообразного топлива. Молекулярные контейнеры важны для развития современных медицинских технологий адресной доставки лекарственных средств. Потенциальными потребителями новых материалов являются: ООО НТФ БАКС (г. Самара; заключен договор о научном сотрудничестве), ООО "Самарский Инженерно-Технический центр" (г. Самара), ОАО «Самаранефтегаз» (г. Самара), АО «Куйбышевский НПЗ» (г. Самара), ОАО "Гипровостокнефть" (г. Самара), ОАО «Тольяттиазот» (г. Тольятти), ООО «Тольяттикаучук» (г. Тольятти), ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, ФГБУН Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН (г. Санкт-Петербург, заключен договор о научном сотрудничестве), ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (г. Черноголовка; заключен договор о научном сотрудничестве).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---