Теоретическое материаловедение: от фундаментальных исследований к производству

В 2013 г. Самарский государственный университет (СамГУ) вошел в число 42 победителей очередного конкурса мегагрантов, объявленного в соответствии с Приказом № 220 Правительства РФ, для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования. В исполнение Договора приказом ректора от 1 июня 2013 г. при СамГУ был создан Межвузовский научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ), директором которого назначен профессор СамГУ Владислав Блатов, а научным руководителем – профессор Миланского университета (Италия) Давиде Прозерпио.

 

Владислав Блатов, директор МНИЦТМ при СамГУ, профессор, д.х.н.
Владислав Блатов, директор МНИЦТМ при СамГУ, профессор, д.х.н.

Сейчас в штате МНИЦТМ работает более 20 сотрудников, в том числе 3 доктора наук, 6 кандидатов наук; почти 2/3 сотрудников моложе 30 лет. МНИЦТМ имеет свой вычислительный центр, основой которого является высокопроизводительный вычислительный кластер с установленным уникальным программным обеспечением и базами данных, ориентированными на решение задач теоретического материаловедения.
Основная цель МНИЦТМ в рамках конкурса мегагрантов – создание в Самарской области научного центра мирового уровня, который определяется по следующим показателям:

  1. публикация результатов научных исследований в международных научных журналах самого высокого уровня (с импакт-фактором не ниже 2);
  2. участие сотрудников МНИЦТМ в крупнейших международных научных мероприятиях;
  3. наличие материальной базы, позволяющей проводить исследования на самом высоком уровне;
  4. организация и проведение международных научных конференций, семинаров и школ;
  5. прием стажеров из России и других стран;
  6. научное сотрудничество с ведущими мировыми исследовательскими центрами и учеными;
  7. стажировки молодых сотрудников МНИЦТМ в ведущих лабораториях мира.

Работа МНИЦТМ осуществляется по двум направлениям:

Первое направление включает разработку инновационных методов анализа экспериментальной информации в кристаллографических базах данных и прогнозирования свойств новых материалов с использованием оригинальных эвристических алгоритмов. В этой части мы опираемся на программный комплекс ToposPro, который мы разрабатываем более 20 лет. Создаваемая на базе ToposPro экспертная система сможет прогнозировать геометрические и топологические мотивы атомных конфигураций, как конечных (молекул, кластеров, олигомеров), так и периодических (цепочечных, слоистых или каркасных полимерных группировок). Экспертная система призвана решить следующие задачи теоретического материаловедения:

  1. прогнозирование возможных структур твердых тел заданного химического состава;
  2. расчет физических свойств для данного материала или группы материалов;
  3. поиск материалов с данным набором геометрических и топологических свойств;
  4. поиск структурно схожих веществ и материалов.

Второе направление заключается в интегрировании экспертной системы с программными пакетами по квантовой механике твердого тела. Мы разрабатываем программный интерфейс между известными квантово-механическими пакетами и экспертной системой, который позволит пользователю решать две основные задачи:

  1. поиск всех известных структур, подобных данной, свойства которой были определены квантово-механическими методами;
  2. прецизионный квантово-механический расчет известных структур, которые могут обладать важными свойствами согласно рекомендациям экспертной системы.

Можно утверждать, что мировые аналоги МНИЦТМ отсутствуют. Это объясняется тем, что разрабатываемые МНИЦТМ методы анализа экспериментальной информации являются новаторскими, и в этой области МНИЦТМ является мировым лидером.

Значимые итоги реализации мегагранта

Итоги двухлетней работы позволяют утверждать, что перечисленные выше показатели выполняются и уже сейчас МНИЦТМ приобрел все необходимые признаки лаборатории мирового уровня.

В частности, разработаны не имеющее мировых аналогов программное обеспечение и базы данных, которые позволяют предсказывать структуру и свойства новых материалов без проведения дорогостоящих экспериментов. Уже сейчас этими средствами пользуются более 3000 материаловедов в 70 странах мира. В декабре 2014 г. запущен проект по коммерческому распространению продукции МНИЦТМ. В 2014 г. введен в эксплуатацию высокопроизводительный вычислительный кластер МНИЦТМ, на котором установлено уникальное программное обеспечение, предназначенное для прогнозирования структуры и свойств новых материалов. Первая работа, выполненная на этом кластере, позволила предсказать новые супертвердые углеродные материалы; результаты работы опубликованы в январе 2015 г. в одном из престижных международных научных журналов. За полтора года работы сотрудники МНИЦТМ участвовали более чем в 20  международных конференциях, школах и стажировках, опубликовали более 20 научных работ мирового уровня. Результаты исследований 2013 г. по двумерным переплетающимся координационным полимерам опубликованы в одном из наиболее высоко цитируемых научных журналов мира Chemical Reviews (импакт-фактор 45.6). В 2014 г. в МНИЦТМ прошли стажировку ученые из России, Германии и Саудовской Аравии. Сотрудничество МНИЦТМ с другими лабораториям как в России, так и за рубежом описано ниже.

В 2014 г. на базе МНИЦТМ состоялись Первая Российская научная школа «Топологические методы в кристаллохимии и материаловедении» и международная научная школа по той же тематике. В августе 2014 г. МНИЦТМ организовал конференцию по методам математического моделирования твердых тел, в которой принял участие Нобелевский лауреат профессор Роальд Хоффман (США), а также ряд ведущих ученых из США и стран Европы. В мае 2015 г. намечено проведение представительной международной конференции с участием комиссии Международного Союза по чистой и прикладной химии (IUPAC), в состав которой включены руководители МНИЦТМ Блатов В.А. и Прозерпио Д.М. В рамках специального направления по сотрудничеству с университетами Китая в сентябре 2015 г. запланировано проведение российско-китайской школы по теоретическому материаловедению.

После почти двух лет работы МНИЦТМ приобрел опыт работы в следующих областях:

  1. разработка программного обеспечения для моделирования твердых материалов и интеллектуального анализа экспериментальных данных;
  2. создание электронных баз данных для эвристического прогнозирования физических свойств твердых тел;
  3. разработка экспертных систем для поиска материалов с заданными структурой и свойствами;
  4. поиск взаимосвязей между структурой и свойствами твердых веществ на основе компьютерного анализа всей накопленной в настоящее время экспериментальной информации;
  5. количественная оценка физических свойств твердых тел, в частности твердости, электропроводности, оптических и магнитных характеристик, с помощью современных методов математического моделирования;
  6. направленный поиск потенциальных неорганических суперионных проводников, используемых в качестве катодных материалов в аккумуляторах, а также в качестве электролитов в суперконденсаторах;
  7. исследование структуры и свойств металлов, сплавов и интерметаллических соединений, используемых в качестве конструкционных,электропроводящих и магнитных материалов;
  8. исследование структуры и свойств металлических нанокластеров;
  9. поиск летучих веществ для создания металлических покрытий путем химического осаждения из газовой фазы;
  10. поиск новых углеродных соединений, используемых в композитных материалах;
  11. исследование структуры и свойств цеолитов и металл-органических каркасных соединений, применяемых для создания адсорбентов и катализаторов;
  12. исследование структуры и свойств молекулярных кристаллов и сокристаллов, важных для электроники и фармацевтической промышленности;
  13. исследование структуры и свойств молекулярных комплексов «гость-хозяин» для создания новых адсорбционных материалов;
  14. консультации в области теоретического материаловедения, в том числе в виде вебинаров и онлайн-конференций;
  15. организация школ и конференций по теоретическому материаловедению.

Перспективы развития проекта

Задачи, решаемые коллективом МНИЦТМ, находятся в списке наиболее актуальных задач современного материаловедения. Это проблемы моделирования материалов из первых принципов, без проведения дорогостоящих экспериментов. Без такого рода моделирования не обходится создание ни одной современной технологии. Кроме того, наши исследования имеют и чисто научную, фундаментальную составляющую – поиск закономерностей и корреляций, которые связывают состав, строение и свойства твердых веществ и материалов, и которые являются следствием еще неизвестных законов природы. Мы активно взаимодействуем с исследователями (как теоретиками, так и экспериментаторами) всего мира; универсальность наших методов позволяет применять их в самых разных областях материаловедения и сотрудничать с самыми разными лабораториями. Именно это сотрудничество является залогом нашего развития; многие из решенных нами научных проблем был первоначально поставлены перед нами нашими коллегами из других лабораторий. Мы рассчитываем и далее удерживать лидерство в разработке программного обеспечения, баз данных и методов моделирования для материаловедения.

Интеграция науки и бизнеса: участие Центра в реализуемых проектах

В 2014 г. МНИЦТМ начал программу сотрудничества с экспериментальными лабораториями как в России, так и за рубежом. Работы по созданию новых катодных материалов ведутся с МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва), твердых электролитов – с Техническим университетом г. Фрайберг (Германия), суперконденсаторов – с Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (пос. Черноголовка Московской обл.). В Институте химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН (г. Санкт-Петербург) начаты работы по созданию новых адсорбентов и катализаторов на основе предложенного в МНИЦТМ метода конструирования цеолитных материалов. В сотрудничестве с химиками-синтетиками из Университета короля Абдулазиза (г. Джедда, Саудовская Аравия) и Университета г. Саргода (Пакистан) в МНИЦТМ проведено успешное тестирование алгоритмов создаваемой экспертной системы для прогнозирования органических веществ для фармацевтической промышленности. Развиваются контакты с другими лабораториями по материаловедению, организованными в рамках аналогичных мегагрантов в гг. Тольятти, Новосибирске и Москве.

Хранение энергии: работы МНИЦТМ

Твердые электролиты или суперионные проводники исследуются, начиная с середины 60-х годов прошлого века. Это группа твердых тел, ионная проводимость которых сравнима по величине (10-3 -10 Ом-1 см-1 при комнатной температуре) с ионной проводимостью сильных жидких электролитов.  Твердые электролиты используют в устройствах для накопления и хранения энергии (аккумуляторы, суперконденсаторы), в химических источниках тока, концентрационных датчиках; везде, где нужно осуществить перенос ионов определенного типа через твердое вещество.

Повышенная ионная проводимость таких материалов обусловлена особенностями их кристаллической структуры, а именно наличием туннелей или слоев, обеспечивающих перемещение катионов по большому числу разрешенных позиций. Учитывая данные особенности, кристаллическую структуру твердых электролитов обычно рассматривают как неподвижный каркас c определенной системой каналов, внутри которых располагаются мигрирующие ионы.

Ионная проводимость обеспечивается самыми различными катионами – одно-, двух- и трехзарядными (Ag+, Cu+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Ca2+, Zn2+, Mg2+, Pb2+, Al3+, Sc3+) и анионами (F-, Cl-, Br-, O2-, S2-). Существуют материалы, где носителями зарядов служат одновременно ионы двух сортов, например, Ag+ и H g2+ в AgHg2I4, или сокатионная проводимость в твердых растворах (Na,K)-β-Al2O3.

Известны предпосылки необходимые для проявления веществом высокой ионной проводимости:

  1. большое число подвижных ионов одного сорта;
  2. большое число незанятых позиций, доступных для подвижных ионов;
  3.  малое различие в энергиях незанятых и занятых позиций и малая величина активационного барьера для перескока иона из одной позиции в соседнюю;
  4. открытые каналы для миграции подвижных ионов в структуре;
  5. анионная подрешетка должна быть легко поляризуема.

Поиск соединений, обладающих перечисленными выше свойствами, является одной из важных задач, решение которой позволит создавать новые материалы с наилучшими ионпроводящими свойствами. Однако до сих пор многие экспериментальные работы по поиску новых ион-проводящих материалов выполняются без предварительных структурных исследований, путем модификации уже известных твердых электролитов за счет введения новых добавок. С 2005 г. мы разрабатываем методы, которые позволяют априори предсказывать, будет ли вещество твердым электролитом, или нет.
Вот пример того, как мы работаем в этой области. Недавно нашими коллегами-экспериментаторами была поставлена задача найти новые натрий-проводящие катодные материалы, содержащий атомы металлов с переменной валентностью, с катионной емкостью не менее 100 мАч/г. Решение задачи включало следующие основные этапы:

  1. Быстрый поиск аналогов: из более 10000 натрий-содержащих веществ, сведения по которым содержатся в наших базах данных при помощи нашего программного обеспечения мы отобрали более 1000 веществ с атомами металлов с переменной валентностью и около 300 веществ с катионной емкостью не менее 100 мАч/г;
  2. Быстрый поиск веществ, которые могут обладать натриевой проводимостью; для этого мы  использовали наше программное обеспечение и из 300 веществ отобрали около 120 потенциальных твердых электролитов;
  3. Детальный анализ, проведенный нашими коллегами, показал, что около 90% из этих 120 веществ – уже известные катодные материалы;
  4. Точные расчеты катионной проводимости показывают, что около 10 веществ представляют собой потенциальные новые катодные материалы. Именно эти вещества будут пытаться синтезировать экспериментаторы, чтобы проверить их свойства.

Таким образом, благодаря теоретическим методам моделирования, исходных список из 10000 веществ сократился в 1000 раз; этот пример наглядно демонстрирует эффективность использования теоретического прогнозирования при разработке новых материалов.

Координационные полимеры

Координационные полимеры (полимеры, основу которых составляют соединенные друг с другом атомы металла и органические молекулы) были известны химикам давно, но их интенсивное исследование началось только с середины 90-х годов прошлого века. Главной причиной являлось открытие нового класса координационных полимеров – так называемых металл-органических каркасных соединений. Эти соединения обладают самыми разнообразными физическими и химическими свойствами, весьма стабильны при обычных условиях. Их наиболее важное применение — это высокопористые функциональные материалы с наноразмерными монодисперсными порами (газовые ловушки, ионообменники, молекулярные контейнеры и наносита).  Так, например, уже сейчас в США разработана опытная модель автомобиля, в котором в качестве топлива используется газ, хранящийся не в сжиженном виде, а в порошке или гранулах металл-органического соединения. При этом объем газа, поглощенный единицей объема такого молекулярного контейнера больше, чем объем газа в сжиженном состоянии, т.е. бак автомобиля, заполненный металл-органическим сорбентом, вмещает больше газа, чем бак, заполненный сжиженным газом. Кроме того, материалы на основе таких координационных полимеров могут обладать важными магнитными, оптическими и каталитическим свойствами, благодаря наличию атомов металла в их составе. Особенно интересно то, что все эти свойства могут сочетаться в одном веществе, что используется при конструировании различного рода датчиков и сенсорных устройств, а также в адресной доставке лекарств в организме пациента.

Экспериментальной разработкой новых координационных полимеров такого типа занимаются в основном за рубежом. Мы начали работать в этой области с 2003 г. благодаря сотрудничеству с одним из ведущих специалистов в этой области – профессором Давиде Прозерпио; это сотрудничество и послужило основой нашего проекта. Мы разработали методы описания, классификации и теоретического исследования координационных полимеров и в настоящее время являемся лидерами в этой области. Это направление очень перспективно – буквально каждый год находят новые классы координационных полимеров, обладающие полезными свойствами. Моделирование таких материалов существенно ускорило бы развитие этой отрасли материаловедения, в связи с чем мы сейчас начинаем разработку соответствующих методов. В этом направлении нам приходится конкурировать с несколькими лабораториями из США, однако мы имеем свои ноу-хау, связанные с разрабатываемыми нами универсальными методами моделирования твердых тел, что позволяет нам с оптимизмом смотреть в будущее.

Leave a Comment