Сибирские ученые оценили эффективность полуэмпирических методов для химических расчетов

Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) сравнили точность и надежность четырех расчетных методов для органических кристаллов с бромом и хлором. Оказалось, что для кристаллов с бромом разница в показателях, полученных с помощью разных методов, может быть существенной.

В настоящее время, особенно в связи с развитием машинного обучения в химии, для описания свойств будущим материалов активно применяют расчетные методы. Рассчитать свойства материалов можно по-разному: например, использовать очень точные методы, но такие вычисления потребуют ресурсов и времени, или же взять более простые варианты с некоторым количеством упрощений, что будет дешевле, но менее достоверно. Самый дорогой и сложный метод — квантово-химический, основанный, например, на теории возмущения, следом идет теория функционала плотности (DFT), а затем — полуэмпирические методы.

«Последние могут быть хорошим компромиссом между скоростью и точностью для некоторых задач. Мы посмотрели, насколько точно полуэмпирическими методами можно рассчитать свойства органических кристаллов с бромом. В качестве метода сравнения был взят DFT как самый популярный, но более долгий и дорогой», — прокомментировал один из авторов исследования, старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Денис Рычков.

Работая с гнущимися органическими кристаллами с бромом, ученые в определенный момент увидели, что разные методы для одной и той же структуры дают разные показатели свойств.

«Мы предположили, что наличие атомов брома искажает расчетные данные для конкретной системы, и решили проверить эту гипотезу. Для вычисления энергии кристаллической решетки и барьера скольжения слоев мы работали с полуэмпирическими методами, промежуточными между теорией функциональной плотности (DFT) и методами молекулярной механики», — рассказал Денис Рычков.

В качестве объектов для расчетов авторы выбрали шесть семейств полиморфных модификаций кристаллов разных веществ. Полиморфные модификации обладают одинаковым химическим составом, но разной структурой и, следовательно, свойствами (самый известный пример — графит и алмаз). Всего получилось 14 кристаллов (так как в некоторых семействах было по три полиморфные формы). Они были разбиты на три группы: содержащие только хлор, содержащие хлор и бром, содержащие только бром.

Чтобы сравнить точность расчетных методов, химики взяли такой параметр, как стабильность полиморфной модификации. В прикладном применении есть множество областей, где нужно определение стабильности полиморфных модификаций или в целом предсказание кристаллических структур. Например, в фармацевтике нельзя вывести на рынок соединение, если его структура не расшифрована.

Авторы собрали имеющиеся в литературе данные, которые были получены как экспериментально, так и с помощью метода DFT, и затем ранжировали имеющиеся кристаллы от наиболее до наименее стабильных. В упрощенном виде за стабильность отвечает такой параметр, как энергия кристаллической решетки, ее исследователи и вычисляли четырьмя методами, для которых они хотели проверить точность.

«Для хлора все получилось хорошо, то есть рассчитанная стабильность совпала с ожидаемой, а вот для брома — не очень. Разница в энергии с данными, которые были взяты за образец, могла быть существенной: например, 2 килоджоуля на моль для хлорсодержащих систем и 20 килоджоулей на моль для бромсодержащих», — отметил ученый.

Таким образом, по мнению исследователей, бромсодержащие соединения могут выступать в качестве некоторого чувствительного образца (бенчмарка) для проверки точности методов, предлагаемых разными исследовательскими группами.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации