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 проекта 16-13-10158
НазваниеГибридные тополого-квантовохимические методы прогнозирования адсорбционных, каталитических и сенсорных свойств микропористых каркасных и низкоразмерных материалов
Руководитель Блатов 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
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 слова Экспертные 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
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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Блатов В.А.
A method for topological analysis of rod packings
Structural Chemistry, V. 27, N 6, P. 1605–1611 (год публикации - 2016)
10.1007/s11224-016-0774-1
2.
Сию Лиу, Енгниан Ян, МингМинг Гуо, Хуадонг Гуо, Сианмин Гуо, Евгений В. Александров
A family of entangled coordination polymers constructed from a flexible bisimidazole ligand and versatile polycarboxylic acids: Syntheses, structures and properties
Inorganica Chimica Acta, V. 453, P. 704–714 (год публикации - 2016)
10.1016/j.ica.2016.09.044
Публикации
1. Лю С., Гуо М., Сун И., Гуо Х., Гуо С., Александров Е.В. Coordination polymers from bent ligands or how to obtain rare topologies with simple linkers and nodes Inorganica Chimica Acta (год публикации - 2018)
2.
Александров Е.В., Блатов В.А., Прозерпио Д.М.
How 2-periodic coordination networks are interweaved: entanglement isomerism and polymorphism
CrystEngComm, V. 19, N 15, P. 1993-2006 (год публикации - 2017)
10.1039/c7ce00313g
3.
Андерсон М., Гебби Дж., Хилл А., Фарида Н., Атфилд М., Кубиллас П., Блатов В.А., Прозерпио Д.М., Акпорайе Д., Арстад Б., Гале Дж.
Predicting crystal growth via a unified kinetic three-dimensional partition model
Nature, V. 544, N 7651, P. 456–459 (год публикации - 2017)
10.1038/nature21684
4. Ванг Х., Донг С., Лин Дж., Тит С.Дж., Иенсен С., Куре Дж., Александров Е.В., Сиа Ч., Тан К., Ванг Ч., Олсон Д.Х., Прозерпио Д.М., Шабал И.Дж., Тонхаузер Т., Сун Дж., Хан Ю., Ли Дж. Topologically Guided Tuning of Zr-MOF Pore Structures for Highly Selective Separation of C6 Alkane Isomers Nature Communications (год публикации - 2018)
5.
Александров Е.В., Гольцев А.В., О'Кифф М., Прозерпио Д.М.
Two Exceptional Patterns of Helical Secondary Building Units Found in Metal−Organic Framework Structures
Crystal Growth & Design, V.17. No. 6, P. 2941–2944 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.cgd.7b00430
6.
Чжанг С.-С., Су Х.-Ф., Фенг Л., Ванг З., Блатов В.А., Курму М., Тунг Ц.-Х., Сун Д., Чженг Л.-С.
A Water-Stable Cl@Ag14 Cluster Based Metal–Organic Open Framework for Dichromate Trapping and Bacterial Inhibition
Inorganic Chemistry, V. 56, N 19, P. 11891–11899 (год публикации - 2017)
10.1021/acs.inorgchem.7b01879
Публикации
1.
Бартель С., Александров Е.В., Прозерпио Д.М., Смит Б.
Distinguishing Metal−Organic Frameworks
Crystal Growth & Design, V. 18, No. 3, P. 1738-1747 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.cgd.7b01663
2.
Кузнецова Е.Д., Блатова О.А., Блатов В.А.
Predicting New Zeolites: A Combination of Thermodynamic and Kinetic Factors
Chemistry of Materials, V. 30, No. 8, P. 2829–2837 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.chemmater.8b00905
3.
Чжанг Я.Ч., Блатов В.А., Чженг Т.Р., Янг Ч.Х., Чан Л.Л., Ли Б.Л., Ву Б.
A luminescent zinc(II) coordination polymer with unusual (3,4,4)-coordinated self-catenated 3D network for selective detection of nitroaromatics and ferric and chromate ions: a versatile luminescent sensor
Dalton Transactions, V. 47, N 17, P. 6189-6198 (год публикации - 2018)
10.1039/c7dt04682k
4.
Сун Ш., Сун Й., Гуо Х., Фу С., Гуо М., Лиу С., Гуо С., Чжанг Л., Александров Е.В.,
Construction of Cd(II) coordination polymers from a fluorene-based bisimidazole ligand and polycarboxylic acids: syntheses, structures and properties
Inorganica Chimica Acta, V. 483, P. 165-172 (год публикации - 2018)
10.1016/j.ica.2018.08.018
5.
Чженг Т.Р., Блатов В.А., Чжанг Я.Ч., Янг Ч.Х., Чан Л.Л., Ли К., Ли Б.Л., Ву Б.
An unusual (3,10)-coordinated 3D network coordination polymer as a potential luminescent sensor for detection of nitroaromatics and ferric ion
Journal of Luminescense, V. 199, P. 126–132 (год публикации - 2018)
10.1016/j.jlumin.2018.03.025
6.
Лиу С., Гуо М., Гуо Х., Сун Й., Гуо С., Сун Ш., Александров Е.В.
Structural diversity of six metal–organic frameworks from a rigid bisimidazole ligand and their adsorption of organic dyes
RSC Advances, V. 8, P. 4039–4048 (год публикации - 2018)
10.1039/c7ra11754j
7.
Чженг Т.Р., Блатов В.А., Чан Л.Л., Тан Д.Й., Чжанг Я.Ч., Ван Ж.С., Ли Б.Л., Ву Б.
An unusual (4,6)-coordinated copper(II) coordination polymer: High efficient degradation of organic dyes under visible light irradiation and electrochemical properties
Polyhedron, V. 148, P. 81-87 (год публикации - 2018)
10.1016/j.poly.2018.03.032
8.
Чжанг Я.Ч., Блатов В.А., Лв С.С., Янг Ч.Х., Чан Л.Л., Ли К., Ли Б.Л., Ву Б.
Construction of five zinc coordination polymers with 4-substituted bis (trizole) and multicarboxylate ligands: Syntheses, structures and properties
Polyhedron, V. 155, P. 223–231 (год публикации - 2018)
10.1016/j.poly.2018.08.047