Исследователи использовали сложное компьютерное моделирование, чтобы отобразить, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов – каждая молекула приводит к множеству возможных структур, каждая с разными свойствами и возможными применениями.
Этот новый подход, опубликованный в журнале Nature, может ускорить открытие материалов для ключевых применений в энергетике, борьбе с загрязнением, фармацевтике и во многих других областях.
"Когда инженер строит плотину или самолет, конструкция сначала проектируется с помощью компьютеров. Это чрезвычайно сложно в масштабах размеров молекул или атомов, которые часто собираются неинтуитивно », – объясняет Грэм Дэй, профессор химического моделирования в Университете Саутгемптона. "Трудно разрабатывать с нуля в атомном масштабе, и вероятность неудач при открытии новых материалов высока.
Когда химики и физики пытаются открыть новые материалы, мы часто чувствуем себя исследователями без надежных карт."
Профессор Эндрю Купер, директор Фабрики инноваций в материалах Ливерпульского университета, продолжает: «Каждая молекула имеет соответствующую энергетическую поверхность, которую можно представить себе как карту необитаемого острова.
На некоторых островах есть сокровища в виде новых полезных материалов, но на большинстве их нет. Существует почти безграничное количество молекул, которые мы, в принципе, могли бы создать – этот новый метод сообщает нам, какие острова искать и что искать."
В отличие от инженеров, химики на самом деле не свободны создавать любую структуру, которую они хотят: они ограничены обнаружением структур, которые соответствуют оптимизированным положениям атомов – известным как локальные минимумы – на очень сложной энергетической поверхности.
Эта поверхность может быть полностью представлена только во многих измерениях, поэтому ее сложно концептуализировать.
Однако британская команда объединила методы, которые предсказывают, как молекулы будут формировать кристаллические структуры, с компьютерным моделированием, которое предсказывает свойства этих структур. В результате получаются относительно простые карты с цветовой кодировкой, которые могут использоваться исследователями, не имеющими компьютерного опыта, для поиска лучших материалов для конкретных приложений.
Например, исследователь, пытающийся создать высокопористый материал для хранения определенного газа, может использовать карту для определения лучших молекул, которые оптимизируют это свойство.
В моделировании, описанном в их статье, исследователи применили этот новый подход к ряду известных и гипотетических молекул, что привело к открытию и синтезу материалов с большой емкостью для хранения метана, что имеет разветвления для транспортных средств, работающих на природном газе.
Исследование также привело к синтезу наименее плотного молекулярного кристалла из когда-либо созданных, показав, как можно использовать вычислительные методы для открытия беспрецедентных свойств.