Ученые ЮУрГУ прогнозируют структуру инновационных гибридов подгруппы углерода
Сегодня для того, чтобы изобретать инновационные материалы нового поколения, вовсе не обязательно начинать с опытов в пробирках. Сэкономить значительное количество времени, сил и реагентов ученым помогает компьютерное моделирование материалов.
В ЮУрГУ функционирует научно-исследовательская лаборатория Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов (НИЛ МММФМ), сотрудники которой детально прорабатывают различные комбинации структур материалов, изучая различные вариации их прежде, чем новые материалы (например, полимеры) будут воплощены в жизнь в физическом плане.
Синтез новых полимеров сопряжен с большой трудоемкостью и затратами, а цифровое моделирование материалов позволяет получать информацию об их свойствах еще до синтеза и рекомендовать состав с требуемыми характеристиками.
Лаборатория МММФМ имеет хорошо налаженный инструментарий анализа свойств электронной плотности, методов неорбитальной квантовой кристаллографии. Сотрудниками лаборатории накоплен огромный опыт в моделировании химических реакций, поверхностей, свойств кристаллов, в создании цифровых двойников химических соединений и материалов.
В рамках проекта, поддерживаемого Российским научным фондом, сотрудники НИЛ МММФМ исследуют тетрельные связи в химических соединениях подгруппы углерода, работают над многомасштабным моделированием структуры инновационных гибридных кремний-углеродных материалов.
Ведущий научный сотрудник лаборатории НИЛ МММФМ, профессор, доктор химических наук Екатерина Барташевич отмечает, что в рамках исследования сотрудники НИЛ МММФМ фокусируются на квантово-химических дескрипторах* для типов химических связей в крупномасштабных моделях поверхности и сорбированных на них компонентах. Это объекты исследования ученых ЮУрГУ в рамках этого проекта.
Квантово-химические дескрипторы* — это числовые величины, которые получаются в результате квантово-химических расчётов. Это характеристики, которые описывают структуру молекулы, её особенности и свойства. Дескрипторы используются в методе количественных соотношений «структура — свойство» (QSAR — Quantitative Structure-Activity Relationship — математической модели, позволяющей по структурам химических соединений предсказывать их свойства (физические, химические, биологическую активность).
Напомним, что именно многомасштабное моделирование и химические связи – основная специализация НИЛ МММФМ.
«В исследованиях мы обращаем особое внимание на уровень свойств электронной плотности, что дает нам возможность понимать образование химических связей и прогнозировать: какого типа связь сформируется в многокомпонентных материалах. Это очень важно для дальнейшего прогнозирования свойств инновационных материалов», – отмечает Екатерина Владимировна.
В настоящее время особый интерес представляют разработки с моделями кремний-углеродных монослоёв. Моделирование дефектов на таких поверхностях проводится на основе спин-поляризованной электронной плотности.
Основные преимущества данных моделей, предложенных учеными ЮУрГУ, – в возможности воссоздавать различные дефекты на поверхностях, что, в свою очередь, позволяет другим компонентам и молекулам удобно связываться на них и участвовать в ускорении реакций.
«Связывание на дефектных поверхностях может происходить эффективнее, чем на бездефектных. Но нужно хорошо понимать электронную природу и электронную структуру дефекта. В нашей лаборатории мы, с одной стороны, создаём крупномасштабные модели поверхности, с периодическими условиями, которые лежат в основе будущих гибридных материалов, – поясняет профессор Барташевич, – С другой стороны, мы можем смоделировать структуру поверхности с тщательностью до свойств распределения электронов, то есть предсказать будущую химическую связь и спрогнозировать, какие химические связи будут связывать компоненты в сложной масштабной системе.
Это не случайный перебор огромного количества компонентов, а именно прогнозирование, когда связывание между компонентами в итоге приводит к улучшенным свойствам данного многокомпонентного материала (гибкости, прочности, устойчивости к коррозии и др.).
«Мы надеемся, что методология и подходы, которые мы разрабатываем, будут полезны в физической химии, но и самое главное – это позволит отличить сорбцию от хемосорбции (поглощения вещества поверхностью какого-либо тела (хемосорбента) за счёт химической реакции). Это очень важный шаг в направлении создания гибридных материалов будущего», – поясняет профессор Барташевич.
В октябре 2025 года разработки ученых ЮУрГУ в сфере многомасштабного моделирования структуры кремний-углеродных материалов были успешно представлены на крупнейшем химическом форуме в Сибири – Втором Сибирском химическом симпозиуме.
Юлия Шерстобитова