Войти
Прогнозирование кристаллической структуры (CSP ) - это расчет кристаллических структур твердых тел из первых принципов. Надежные методы предсказания кристаллической структуры соединения, основанные только на его составе, были целью физических наук с 1950-х годов. Используемые вычислительные методы включают моделирование отжига, эволюционные алгоритмы, распределенный мультипольный анализ, случайную выборку, скачкообразный переход по бассейну, интеллектуальный анализ данных., теория функционала плотности и молекулярная механика.
Кристаллические структуры простых ионных твердых тел уже давно рационализированы в терминах правил Полинга, впервые изложенных в 1929 году Линусом Полингом. Для металлов и полупроводников действуют другие правила, касающиеся концентрации валентных электронов. Однако предсказание и рационализация - это разные вещи. Чаще всего термин предсказание кристаллической структуры означает поиск расположения составляющих его атомов (или, для молекулярных кристаллов, его молекул) с минимальной энергией в пространстве. Проблема имеет две стороны: комбинаторику («фазовое пространство поиска», наиболее актуальное на практике для неорганических кристаллов) и энергетику (или «ранжирование устойчивости», наиболее актуальное для молекулярных органических кристаллов). Для сложных немолекулярных кристаллов (где «проблема поиска» стоит наиболее остро) основными недавними достижениями стали разработка версии Мартонака метадинамики, эволюционного алгоритма Оганова-Гласса USPEX и первых принципов случайной выборки. поиск. Последние способны решать проблему глобальной оптимизации с примерно сотней степеней свободы, в то время как подход метадинамики заключается в сокращении всех структурных переменных до нескольких «медленных» коллективных переменных (что часто работает).
Прогнозирование органических кристаллических структур важно в академической и промышленной науке, особенно для фармацевтических препаратов и пигментов, где понимание полиморфизма выгодно. Кристаллические структуры молекулярных веществ, особенно органических соединений, очень трудно предсказать и ранжировать в порядке устойчивости. Межмолекулярные взаимодействия относительно слабые, ненаправленные и дальнодействующие. Это приводит к типичным различиям в решетке и свободной энергии между полиморфами, которые часто составляют всего несколько кДж / моль, очень редко превышая 10 кДж / моль. Методы прогнозирования кристаллической структуры часто обнаруживают множество возможных структур в этом небольшом диапазоне энергий. Эти небольшие различия в энергии сложно надежно предсказать без чрезмерных вычислительных усилий.
С 2007 года был достигнут значительный прогресс в области CSP малых органических молекул, причем несколько различных методов доказали свою эффективность. Наиболее широко обсуждаемый метод сначала ранжирует энергии всех возможных кристаллических структур с использованием настраиваемого силового поля MM, а завершается этапом DFT с поправкой на дисперсию для оценки решетки . энергия и стабильность каждой структуры-кандидата из короткого списка. Более поздние усилия по прогнозированию кристаллических структур были сосредоточены на оценке кристаллов свободной энергии путем включения эффектов температуры и энтропии в органических кристаллах с использованием анализа колебаний или молекулярной динамики.
Следующие коды могут предсказывать стабильные и метастабильные структуры с учетом химического состава и внешних условий (давление, температура):
