海角社区

Специалисты научно-исследовательской лаборатории Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов (далее НИЛ МММФМ — прим. ред.) Южно-Уральского государственного университета разработали и запатентовали специализированную базу данных МДК-Х (?Механические Деформации Кристаллов для Химии?).

Ее уникальность заключается в хранении результатов прогнозов не только структурных, но и электронных свойств органических и металлоорганических кристаллов, что открывает новые возможности для материаловедения. База призвана решить важную практическую задачу — проведение ресурсоемких испытаний физико-химических свойств материалов в виртуальной среде.

С помощью квантово-химических расчетов система моделирует механические деформации кристаллов (гидростатическое сжатие, растяжение и др.) и прогнозирует, как изменяются их упругость или эластичность, как это взаимосвязано с электронными характеристиками химических связей и так далее. Это особенно ценно для прогнозирования результатов дорогостоящих и сложных экспериментов, например, с использованием алмазных наковален, или экспериментов, связанных с глубоководным погружением (оценка устойчивости материалов к различным средам).

?МДК-Х – это система виртуальных компьютерных экспериментов. Она экономит время и средства, позволяя сначала проверить гипотезы в программе, а затем целенаправленно ставить лабораторные опыты, — поясняет научный сотрудник лаборатории Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов, к.х.н. Ирина Юшина. – Ключевая цель проекта — не только предсказание свойств новых материалов, но и выявление новых, неожиданных свойств у уже существующих соединений. Например, можно оценить перспективность известного кристалла в качестве нелинейного оптического материала или сенсора?.

Какие-то материалы хрупкие, какие-то упругие, какие-то имеют большой предел сопротивления механическим нагрузкам, а какие-то, наоборот, могут проявлять изменения механических свойств в зависимости от накладываемых условий. Такими условиями могут быть давление, температура, облучение лазерным светом. Такое изменение механических свойств может, в том числе, приводить к новым свойствам органического кристалла. Например, кристалл может начать проявлять сенсорные характеристики в ответ на оказываемое на него воздействие. Все это в перспективе можно будет проверять с опорой на данные МДК-Х.

?Уникальность нашей базы данных МДК-Х в том, что на данном этапе в ней хранятся данные о структуре кристаллов. Впоследствии это будут и полимеры, для которых сохраняются не только рассчитанные для моделей свойства, но и электронные характеристики химических связей, – рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории НИЛ МММФМ, профессор, д.х.н. Екатерина Барташевич. – Продуктивность прогнозов, связанных с электрической прочностью материалов, которую мы вначале опробуем на кристаллических структурах, мы сможем перенести уже на аморфные, то есть полимерные системы. Именно поэтому нам очень важны данные об электронных свойствах кристаллов. Это квантово-химические расчеты, которые привязаны к структурным характеристикам систем. Кристаллы в нашем исследовании – это только первый шаг. Мы ставим перед собой цель: описать и понять с фундаментальных позиций природу самовосстановления материалов после разного вида деформаций?.

Контур электронной плотности, моделирующий малые полости в кристалле полийодида, и спрогнозированные направления минимальной (синяя стрелка) и максимальной (красная стрелка) линейной сжимаемости кристалла DBTQ-I3 при 0  ГПа.

Расчетные пространственные поверхности модуля Юнга для кристалла DBTQ-I3 при 0 ГПа (слева) и 2 ГПа (справа), наложенные на фрагменты кристаллического структуры

Пространственная зависимость модуля Юнга кристалла металл-органического каркаса DUT-8 и фрагмент его кристаллической структуры

В команде проекта у каждого своя важная роль. Главный идейный вдохновитель проекта базы данных МДК-Х в НИЛ МММФМ – Ирина Юшина, воплощением задумок ученых в IT-решения занимаются Зиля Хуснутдинова и Александр Беляков (ВШЭКН). Пользовательский интерфейс создается параллельно с наполнением базы. Важно отметить, что интерфейс базы данных МДК-Х фактически адресно моделируется ?под химиков и материаловедов?. У истоков концепции алгоритмизации механических свойств кристаллов и принятия решений о механических свойствах кристаллов стоит к.х.н. Юрий Матвейчук. Его предложение заключается в том, что сотрудники НИЛ МММФМ должны грамотно комбинировать расчетные статические и динамические характеристики и оценивать, как меняются характеристики таких деформированных состояний. В настоящее время база содержит актуальные данные расчетов и является компонентом развивающейся многофункциональной платформы. В перспективе коллектив НИЛ МММФМ планирует интегрировать инструменты искусственного интеллекта и жесткой алгоритмизации для анализа и расширять классы изучаемых материалов, включая полимеры.

Больше новостей на канале ЮУрГУ в MAX