В одной из крупнейших и наиболее авторитетных информационных служб в области кристаллографии — новой версии базы данных Inorganic Crystal Structure Database (ICSD: 2023/1) — впервые опубликованы сведения об окружении атомов в структуре кристаллов. Таким образом, теперь в ICSD содержатся информация о том, как именно атомы соединяются друг с другом, то есть, о топологии кристаллической структуры. Эти данные особенно важны для химиков и материаловедов, так как позволяют исследовать закономерности внутреннего устройства кристалла, а значит, прогнозировать его свойства.
Данные получены в рамках реализации совместного проекта Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского государственного технического университета (СамГТУ) и ICSD, разработкой которого занимается Институт информационной инфраструктуры имени К. Лейбница (FIZ Karlsruhe, Германия).
«Новизна заключается в том, что топологические данные, получаемые с помощью нашего программного обеспечения теперь доступны через ICSD химикам всего мира. До этого в базе содержались данные о кристаллических структурах, полученные дифракционными методами, и из них можно было узнать только положения атомов в пространстве, но не особенности их взаимодействия. Сейчас доступна информация о геометрии и топологии структур. Это первый пример описания межатомных взаимодействий в базах данных по структуре неорганических веществ», — говорит директор МНИЦТМ, доктор химических наук Владислав Блатов.
Среди примеров недавнего использования ICSD и топологического подхода — результаты исследований ученых Самарского политеха, опубликованные в ведущих международных журналах.
В одном из них ученые изучили (Inorganic Chemistry (DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c03607) топологии более 20 тысяч структур интерметаллических соединений из ICSD и нашли закономерности, которым подчиняются упаковки атомов металлов. С использованием этих закономерностей найдены несоответствия и ошибки в известных экспериментальных данных, а также кристаллические структуры, обладающие необычным строением.
В другой работе (Crystal Growth & Design (DOI: 10.1021/acs.cgd.2c01440) были исследованы более тысячи неорганических боридов, среди которых немало веществ с практически важными свойствами, в частности супертвердых материалов. Найденные топологические взаимосвязи и закономерности позволили сформулировать критерии устойчивости структуры этих веществ и предложить пути поиска новых боридных материалов.
«В течение многих десятилетий База ICSD служит основным источником кристаллоструктурной информации для химиков, физиков, материаловедов, технологов. Она содержит данные по неорганическим соединениям — более 280 тыс. структур в последнем релизе. Коллектив разработчиков очень осторожно подходит к включению в них новой информации, особенно от сторонних разработчиков. Поэтому совместный проект ICSD и нашего научного центра стал результатом долгих предварительных переговоров, и мы рады, что он, наконец, осуществился», — говорит Владислав Блатов.
Как отмечают в вузе, топологическое описание и топологические методы анализа кристаллических структур, полученные самарскими учеными, становятся признанным стандартом в описании структуры кристаллов неорганических веществ. Расчет и анализ топологических свойств, а также визуализация окружения атомов выполнены при помощи комплекса программ ToposPro и веб-сервиса TopCryst, разработанных в МНИЦТМ.
Владислав Блатов также отмечает, что проект еще находится в первой стадии реализации — информация внесена не по всем известным структурам. На первом этапе полученные данные будут использоваться для поиска координации заданного атома другими атомами. Затем эту конфигурацию можно представить визуально. В более поздних расширениях также будут добавлены параметры поиска различных топологических свойств структуры кристалла.
Работа научного коллектива Владислава Блатова поддержана грантами РНФ.