Новая программа предсказывает форму кристаллов, собирая их как Lego

Самарские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали универсальный метод, позволяющий моделировать рост кристаллических веществ различной природы. Они предложили рассматривать процесс роста кристалла как сборку из отдельных деталей, каждая из которых крепится в определенном месте конструкции.

Этот подход позволил предсказывать форму кристаллов, особенности их структуры и наличие дефектов в зависимости от внешней среды. Статья опубликована в журнале Chemical Science. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Кристаллические вещества часто используются в современных технологиях — квантовой и полупроводниковой электронике и оптике, инфракрасной и вычислительной технике, при создании новых материалов и в других областях. С усложнением техники повышаются требования к свойствам кристаллов (все более сложный химический состав, отсутствие примесей и дефектов в структуре, определенная форма и так далее). Эти параметры можно контролировать, изменяя внешние условия, в которых растут кристаллы — разницу температур, насыщенность и состав раствора или расплава, форму затравки, на которой начинается кристаллизация. Спрогнозировать характеристики будущего кристалла поможет разработка ученых из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева и их коллег из Манчестерского университета.

Исследователи разработали программный пакет, который позволяет моделировать рост, дефекты и особенности строения кристаллов различной природы.

Результаты моделирования воспроизводили форму, размер, дефекты разного типа и мельчайшие детали структуры поверхности экспериментально выращенных кристаллов, наблюдаемых учеными. Пакет программ и реализованные в нем методы способны существенно упростить поиск оптимальных условий, при которых получатся кристаллы с заданными физическими свойствами. Ранее самарские ученые предложили описывать рост кристалла как процесс сборки Lego, когда объемные соединения атомов — полиэдры — прикрепляются в те места, где это наиболее энергетически выгодно, в зависимости от уже сформированной структуры.

Программа работает так: задается небольшой исходный фрагмент структуры (затравка), к которому случайным образом присоединяются новые строительные блоки. Часть программы, написанная самарскими учеными, содержит топологическую информацию и позволяет сказать, в каком именно месте растущего кристалла, каким образом и какой именно блок может присоединиться. Как в Lego: эти детали подходят друг к другу, а эти — нет. Дальше вступает в дело термодинамическая часть, которую создавали англичане. Блоки могут присоединяться (рост кристалла) или, наоборот, отсоединяться (растворение) с разной вероятностью, определяемой температурой, энергией взаимодействия блока и поверхности и концентрацией блоков в растворе. Меняя эти параметры, можно изучать, как условия влияют на рост кристалла. Дефекты, связанные с закономерным ростом структуры, или дислокации, задаются искусственно в исходной затравке, дальше можно наблюдать за их развитием. Дефекты, возникающие случайно в процессе роста (например полости), получаются в результате моделирования естественным путем, так как в программе заложена вероятность возникновения "сбоев" роста. Такая информация важна для практического использования: дефекты влияют как негативно, так и позитивно на физические свойства кристалла, а структура поверхности может обеспечивать определенные особенности материала: например, цеолиты за счет своей пористой структуры способны поглощать ионы металлов.

"Программа CrystalGrower, написанная английскими учеными, могла смоделировать любой кристалл, если известны строительные блоки, которые его составляют, а также способ их соединения. Но их программа ничего не говорит о том, какие это блоки для каждого конкретного вещества. Наши же подходы, реализованные в программе ToposPro, позволяют разложить любой кристалл на эти строительные единицы и определить способ их соединения. Если взять в качестве примера конструктор Lego, англичане определили, как можно соединять между собой детали конструктора, какие соединения будут прочными, а какие — нет, но они не знали, какие детали нужно взять, чтобы собрать конкретную модель. А мы определили, какие детали нужны, чтобы собрать самолет, а какие – корабль", — пояснил профессор Владислав Блатов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор химических наук, директор международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению, профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского университета.

За последние несколько лет ученые усовершенствовали свою модель и распространили ее на новые классы веществ. Сейчас модель успешно работает для неорганических ионных соединений (например хлорид натрия, он же поваренная соль), металл-органических координационных соединений, органических молекулярных кристаллов. В дальнейшем ученые планируют протестировать ее эффективность для металлов и сплавов.