Наука всегда стремится к замене сложных природных объектов и явлений более простыми моделями. Ученые Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха разработали методы упрощения кристаллической структуры вещества для получения химически важных знаний. Основные подходы они описали в статье, опубликованной в журнале Structural Chemistry.

‒ Основная цель упрощения любой кристаллической структуры ‒ понять особенности ее строения и свойств, и упрощение можно считать обоснованным, если оно помогает достичь этой цели, ‒ поясняет директор МНИЦТМ профессор Владислав Блатов. ‒ Еще одним важным условием является то, что упрощение должно следовать строгому алгоритму, чтобы избежать субъективизма человека, и быть применимым к большим кристаллографическим данным.

Кристаллографическая модель кристаллической структуры содержит только информацию о положениях атомов в пространстве и требует специальных методов для восстановления связи между атомами. Все эти методы используют межатомные расстояния в качестве основного критерия типа связи, но лучшие результаты были получены с дополнительными критериями, такими как валентные усилия связи или параметры атомных многогранников Вороного. В результате, кристаллографическая модель трансформируется в кристаллохимическую, где межатомные контакты разного типа представлены сеткой. Если в сетку включены все виды межатомных контактов, то она содержит исчерпывающую информацию о топологии (связности) структуры вещества, а следовательно, и о его свойствах, которые связаны со структурой. Если из этой полной сетки удалить некоторые узлы (атомы) и/или звенья (связи между атомами), то получится упрощенная модель. Вообще, процедура упрощения может включать в себя следующие основные операции: удаление некоторых атомов, удаление некоторых связей и объединение некоторых атомов вместе со связями между ними в структурные группы (единицы).

Все эти операции легко выполнить в автоматизированном комплексе компьютерных программ и электронных баз данных ToposPro, разработанном командой Владислава Блатова. Анализируя упрощенные структуры, можно находить закономерности в их строении, скрытые в исходных полных структурах.

Справочно:

Многогранник Вороного атома ‒ результат разбиения пространства кристалла на области таким образом, чтобы точки каждой из областей находились в максимальной близости только к данному атому.

МНИЦТМ — Международный научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) был открыт в 2013 году, на базе Самарского политеха центр работает с 2018 года. Среди направлений работы МНИЦТМ — разработка программного обеспечения для моделирования новых материалов и интеллектуальный анализ экспериментальных данных; создание нового поколения электронных баз данных для эвристического прогнозирования физических свойств твердых тел; разработка экспертной системы для эффективного поиска материалов с заданными свойствами; организация компьютерного центра для расчетов твердых тел квантово-механическими методами; организация школ, практикумов, семинаров по теоретическому материаловедению.