Самарские ученые совместно с зарубежными коллегами разработали универсальную модель роста кристаллических веществ различной природы. Для этого они предложили рассматривать процесс роста кристалла как сборку из отдельных деталей, каждая из которых крепится в определенном месте конструкции. Новый подход позволил предсказывать форму кристаллов, особенности их структуры и наличие дефектов в зависимости от внешней среды.

Статья опубликована в журнале Chemical Science.

Кристаллические вещества используются во множестве областей современных технологий. С усложнением техники повышаются требования к свойствам кристаллов, эти параметры можно контролировать, изменяя внешние условия. Разработка ученых из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева и их коллег из Манчестерского университета позволит спрогнозировать характеристики будущего кристалла.

Поддержанные грантом Российского научного фонда исследователи создали программный пакет моделирования роста, дефектов и особенности строения кристаллов различной природы.

В начале работы программы задается небольшой исходный фрагмент структуры, к которому случайным образом присоединяются новые строительные блоки. Часть программы содержит топологическую информацию и позволяет сказать, в каком именно месте растущего кристалла, каким образом и какой именно блок может присоединиться. Дальше вступает в дело термодинамическая часть. Блоки могут присоединяться или, наоборот, отсоединяться 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.

«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», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, профессор кафедры физической химии и хроматографии Самарского университета Владислав Блатов.

Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными. Сейчас модель успешно работает для неорганических ионных соединений, например хлорида натрия, металл-органических координационных соединений, органических молекулярных кристаллов. В дальнейшем ученые планируют протестировать ее эффективность для металлов и сплавов.