Топологические методы исследования и дизайна новых веществ и

Топологические методы исследования и дизайна новых веществ и материалов В. А. Блатов Межвузовский научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ)

Содержание • Что такое топология и зачем нужны топологические методы? • История возникновения и развития топологического анализа • Основные топологические модели в кристаллохимии • Номенклатура топологических типов • Программы и базы данных для анализа топологических свойств • Применение топологических методов для анализа MOF • Перспективы: разработка баз знаний и экспертных систем

Межвузовский научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Твердые электролиты Программное обеспечение Базы данных Продукция и услуги Он-лайн консультации, семинары и школы Молекулярные магниты Экспертные системы http: //sctms. ru http: //topospro. com Сотрудничество с университетами США (штаты Нью-Йорк и Аризона) Италии (Милан, Генуя, Падуя) Германии (Штутгарт, Фрайберг) Австралии (Канберра) Китая (Шанхай, Жаокинг, Хебей, Сиань) Саудовская Аравия (Джедда) Дизайн новых материалов металлорганические контейнеры для газов Прекурсоры для CVD техники

Что такое топология? Строгое определение дается в общей топологии {Ai} множество объектов, образующих топологическое пространство Тривиальная топология Эта топология есть набор связей {(Ak, Aj, )} множество подмножеств топологических объектов - топология, заданная на топологическом пространстве Эта топология есть набор тайлов А это что за топология?

Что такое топологический объект? Любое подмножество из топологического пространства вместе с заданной на нем топологией можно рассматривать как топологический объект Атом (тривиальный объект) Химическая связь Кластер Переплетение Координационный полиэдр Полимерная структура (сетка) Тайл, тайлинг

Зачем нужны топологические методы? CSD 720000 структур ICSD 170000 структур PCD 240000 структур

Топологический анализ в кристаллохимии A. F. Wells 1954 - 1979

Michael O’Keeffe Arizona State University – Tempe AZ - USA

Формализация топологического анализа Решетка Сетка Вложенная сетка

Другие топологические модели Разбиение Вороного Тайлинг

Понятие базовой топологии Топология, заданная на топологическом пространстве при определенном выборе топологических объектов, называется базовой топологией Тривиальная базовая топология Полиморф формамида

Методы поиска базовой топологии Упрощение топологии: Стандартизированная сетка имеет только узлы с координацией > 2 Кластерное представление: Структурные единицы стягиваются в центры тяжести с сохранением общей связности

Распознавание структурных единиц Bond Ring size S 1 In 1 6 S 1 LURDIL 6 S 1 [In 10 S 18]6 - In 1 In 3 6 S 2 In 1 6 «Алмазная» S 2 топология S 3 (dia) S 3 In 2 6 In 3 6 S 4 In 1 6 S 4 In 2 6 S 5 In 2 36

Различные варианты упрощения Базовая топология

Обозначения топологий Символы RCSR dia = «алмазная» топология производные топологии dia-a = аугментированная dia-b = бинарная dia-c = катенированная dia-d = дуальная dia-e = реберная сетка dia-x = расширенная координация dia–x

Определение топологического типа 1. 2. 3. 4. TTD Collection 103261 структур http: //topospro. com Точечный символ Координационная последовательность Расширенный точечный символ Вершинный символ 1. 2. 3. 4. Циклы Кольца Сильные кольца Грани тайлов Топологический тип 5. 6. 7. Цикловая последовательность Полный расш. точ. символ Полный вершинный символ Systre

Пакет программ Topos. Pro – с 1989 2014, 3576− 3586 http: //topospro. com

Оптимизация и анализ топологии сетки Systre – с 2001 Symmetry structure realization Максимальная симметрия Каноническое представление Классификация

Построение тайлингов 3 dt (3 D tiler) – с 1997 http: //gavrog. org

Данные: кристаллографические базы данных CSD 720000 структур ICSD 170000 структур Pearson’s Crystal Data 240000 структур

Кристаллохимические базы данных RCSR – Reticular Chemistry Structure Resource http: //rcsr. anu. edu. au/

Топологические коллекции Topos. Pro Topological Databases Collection (TTD) TTD Collection 103261 entries http: //topospro. com EPINET 14532 entries http: //epinet. anu. edu. au/ RCSR 2094 entries http: //rcsr. anu. edu. au/

Топологические коллекции Topos. Pro Topological Types Observed Collection (TTO) TTO Collection 515231 entries http: //topospro. com

Базы данных по гипотетическим структурам EPINET 14532 структур; http: //epinet. anu. edu. au/ Atlas of Prospective Zeolite Frameworks ~300000 структур; http: //www. hypotheticalzeolites. net/

Что дает нам топологический анализ? • Быстрый поиск аналогов, обладающих одинаковой базовой топологией • Поиск структур, топологически схожих, но построенных из различных строительных единиц (одинаковый способ сборки) • Перечень возможных вариантов модификации (декорирования) базовой сетки для получения новых топологических мотивов • Поиск взаимосвязей между химическим составом, локальным связыванием и глобальной топологией структуры • Распознавание переплетающихся структур • Анализ «пустого» пространства (полостей и каналов)

Coordination polymers, MOFs, ZIFs, COFs… Coordination Networks Coordination Polymers Metal Organic Frameworks MOFs Covalent Organic Frameworks COFs Supramolecular Architectures

Coordination polymers, MOFs, ZIFs, COFs… Scale Chemistry Reticular Chemistry O. M. Yaghi, M. O’Keeffe, N. W. Ockwig, H. K. Chae, G. Férey, Chem. Soc. Rev. M. Eddaoudi, J. Kim, Nature, 2003, 423, 705 -714 2003 2008, 37, 191 -214 2008 2375 цитирований 974 цитирований

Базовые топологии в координационных полимерах и MOF 4709 структур

Базовые топологии в координационных полимерах и MOF

Металл-органические каркасы (MOFs) MOF-5 [( 4 -1, 4 -Benzenedicarboxylato)3( 4 -O)Zn 4] Полный каркас Кластерное представление 6 -коорд топология pcu

Цеолитоподобные имидозолатные каркасы (ZIFs) ZIF-76 [ 2 -5 -Chlorobenzimidazolato-tris( 2 -imidazolato)Zn 2] Полный каркас Кластерное представление Стандартноепредставление 8 -коорд топология reo 4 -коорд LTA

Ковалентные органические каркасы (COFs) COF-300 Poly-[(p-xylylenediiminediphenyl) Алмазоподобный (dia) Полный каркас мотив Взаимопроникающие сетки dia (5 -кратное взаимопроникновение)

Взаимосвязь между локальной и глобальной топологией

Переплетения в координационных полимерах Polythreading, 1 D+1 D 1 D Polycatenation, 2 D+2 D 3 D Interpenetration, 3 D+3 D 3 D Self-catenation

Переплетения в координационных полимерах

Какие сетки могут переплетаться? 91 тип сеток, образующих переплетения dia pcu Самодуальные сетки 1628 типов одинарных сеток sod 4 -коорд, 220 структур

Экспертные системы в кристаллохимии и материаловедении Исходные данные о веществе (состав, предполагаемые свойства) Пользовательский интерфейс Машина вывода (новые эвристические алгоритмы) Экспертное заключение о возможности получения вещества и его предполагаемых характеристиках База знаний (новые параметры и корреляции)

Разработка баз знаний

Базовые сетки в двумерных координационных полимерах L = Hydroxyacetate (glycolate) A=Co AL 2 p=7. 8% p=96% p=84. 3% p=100% P=0. 078 0. 96+0. 843 1. 0=0. 918

Заключение Кристаллохимия Топологические методы Кристаллохимия

Александр Шевченко Евгений Александров Davide Proserpio Мегагрант № 14. B 25. 31. 0005 Правительства РФ