Разработка подходов определения и предсказания органических материалов нового поколения, способных к значительной механической деформации, современными расчетными методами

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 23-73-10142

НазваниеРазработка подходов определения и предсказания органических материалов нового поколения, способных к значительной механической деформации, современными расчетными методами

Руководитель Рычков Денис Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-501 - Квантовая химия, математические методы в химии

Ключевые слова значительная деформация, молекулярные кристаллы, расчетные методы, прогнозирование структуры, прогнозирование свойств, инженерия кристаллов

Код ГРНТИ31.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема рационального дизайна и получения уникальных материалов будущего, основанных на принципиально новых подходах является одной из наиболее важных тематик современной отечественной и мировой науки. В рамках данного проекта внимание сфокусировано на органических материалах, традиционно применяемых в фармацевтической промышленности, органических светодиодах и др. Ранее считалось, что молекулярные кристаллы являются хрупкими при физическом воздействии, что затрудняло их применение в других областях, включая различные актуаторы, материалы для устройств нелинейной оптики, оптоволоконные материалы и другие. Более того, параметры уже привычных для нас веществ, включая такие как стабильность при хранении, детонационные свойства и другие, значительно зависят от механических свойств исследуемого и применяемого материала. Таким образом, если совместить требуемые свойства отдельных молекул, обеспечивающих их применение в определенной области, и рациональную инженерию кристаллической упаковки, можно достичь новых свойств и применений для целого ряда уже известных и синтезируемых веществ. Механические свойства в данном случае являются краеугольными для применения и разработки материалов во многих направлениях науки и техники и требуют разработки теории прогнозирования и конкретные алгоритмы по их проверки расчетными методами, без синтеза каждого из таких образцов в лаборатории. Данный проект основывается на результатах предыдущего, где были предложены не только качественные (как до этого в литературных данных), но и количественные критерии определения пластических свойств кристаллов, и предполагает развитие в область эластического изгиба, а также так называемой сдвиговой деформации. Таким образом, мы планируем развить подходы, разработанные в том числе нашей группой, для всех видов механических свойств молекулярных кристаллов и проверить их на ряде систем, что позволит выйти на новый уровень и создать комплексную систему критериев и алгоритмов, способных прогнозировать механические свойства молекулярных кристаллов. Методы, применяемые для данного исследования, включают в себя квантово-химические подходы и подходы молекулярной механики для определения отдельных взаимодействий в кристаллической структуре (внутри и между слоев), определение энергии связывания слоя, а также построение поверхностей смещения слоев, определение макроскопических механических свойств из упругих свойств кристаллов. В перспективе планируется переход к топологическому подходу по отбору структур-кандидатов, проявляющих механические свойства и использование методов машинного обучения при достаточном объеме полученных данных. Предложенные методы определяют переход к цифровому материаловедению от традиционного лабораторного способа, который тем не менее не теряет актуальность для проверки и итогового синтеза материалов. Таким образом, постановка цели и задач в данном проекте обладает значительной научной новизной для очень актуальной задачи поиска и моделирования материалов с наперед заданными свойствами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Во второй год реализации проекта полностью подобраны все настройки для расчетов необходимых характеристик исследуемых систем. Получение корректных энергий не только электронной структуры, но и вторых производных энергий, критически важно для расчета термодинамических потенциалов и вычисления механических характеристик исследуемых объектов. Так, в работе было проведено тестирование функционалов, размера кристаллографической ячейки (элементарная ячейка и суперъячейка) и метода получения вторых производных (метод конечных разностей и теория возмущений функционала плотности) – необходимые параметры, описывающие в том числе стабильность полиморфных модификаций. Такая, отчасти методическая работа, была тепло встречена не только профессиональным сообществом, но и средствами массовой информации - https://rscf.ru/news/release/khimiki-nauchilis-tochno-predskazyvat-svoystva-izmenchivykh-materialov/ . Кроме вышеобозначенных параметров были протестированы такие характеристики, как шаг смещения атомов и количество таких смещений и найдены оптимальные параметры для системы пиразинамида, 4-бромфенил 4-бромбензоата, гексахлорбензол и гексабромбензол. Необходимо отметить, что подготовка файлов проводилась за счет написанной в нашей группе программы Crystalshift, отлично дополняющей наш предыдущий скрипт Deformcell, опубликованный в Журнале Структурной Химии - https://link.springer.com/article/10.1134/S0022476624090099 . Так, были получены сходящиеся значения механических характеристикх двумя различными способами – через уравнения состояния и через вторые производные энергии. В соответствии с планом работы были завершены расчеты парных взаимодействий более чем в 10 кристаллах, способных к изгибу. Эти данные были сгруппированы таким образом, чтобы получить энергии слоев и энергии межслоевых взаимодействий в соответствии с моделью и критериями Ч.М.Редди. Было показано, что несмотря на отличия в абсолютных энергиях для кристаллографических слоев в различных структурах, везде соблюдается значительная анизотропия. Более того, анизотропия выявлена как для «гнущихся» кристаллов, так и для хрупких. Для лучшего восприятия, данные парных взаимодействий были визуализированы в виде так называемых энергетических каркасов. Ввиду того, что критерий слоистости и анизотропии выполняется для всех выбранных систем. Для углубления понимания модели скольжения слоев были построены профили изменения энергии от смещения кристаллографического слоя в каждой системе. Моделирование проводилось, как для двух изолированных слоев, так и с применением периодических граничных условий. Были использованы как подходы молекулярной механики, так и теории функционала плотности. Эти многочисленные комбинации методов и подходов позволила показать важность таких барьеров и получить оценки по энергии «снизу» и «сверху» для большинства систем. В дополнение к проведенным расчетам были проведены эксперименты росту кристаллов двух веществ, а также получены предварительные данные определения граней кристаллов одной системы методами оптической и электронной микроскопии и монокристальной дифракцией. Результаты работы апробированы на Международных и Всероссийских конференциях и в ведущих научных журналах.

Публикации

1. Дубок А.С., Рычков Д.А. What Is More Important When Calculating the Thermodynamic Properties of Organic Crystals, Density Functional, Supercell, or Energy Second-Order Derivative Method Choice Crystals (MDPI), Crystals 2025, 15(3), 274 (год публикации - 2025)
10.3390/cryst15030274