Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

МОДУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ КОДЫ ВЕРОЯТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ФРАГМЕНТОВ И СТРУКТУР КРИСТАЛЛОВ

Иванов В.В. 1
1 AO ОКТБ «ОРИОН»
Обсуждаются особенности модулярного строения и идентификационные коды вероятных наноразмерных фрагментов и структур кристаллов. Сформулированы принципы модулярного строения 3D структур кристаллов и возможных наноструктурных фрагментов. Разработаны методы комбинаторного и итерационного модулярного дизайна 3D структур кристаллов, а также методы дизайна 1D и 2D наноструктур. Предложена система функциональных символьных представлений структур с помощью информационных (структурных и генетических) кодов. Информационные коды характеризуют особенности строения и вероятные процессы образования модулярных 2D и 3D структур и играют роль их идентификационных кодов.
модулярная структура
наноструктура
идентификационные коды
структурные коды
генетический код структуры
1. Илюшин Г.Д. Моделирование процессов самоорганизации в кристаллообразующих системах. – М.: УРСС, 2003. – 376 с.
2. Krivovichev S.V. // Acta Cryst. A, 2004. – V. 60. – P. 257–262.
3. Малеев А.В., Житков И.К., Рау В.Г. // Кристаллография, 2005. – Т. 50, № 5. – С. 788–796.
4. Shevchenko V.Ya., Mackay A.L. // Glass Phys. Chem., 2008. – V. 34, № 1. – P. 1–8.
5. Иванов В.В. Комбинаторное моделирование вероятных структур неорганических веществ. – Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. – 204 с.
6. Лорд Э.Э., Маккей А.Л., Ранганатан С. Новая геометрия для новых материалов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 264 с.
7. Ferraris G., Makovicky E., Merlino S. Crystallography of modular structures. IUC Oxford Science Publications. – 2008. – 370 p.
8. Иванов В.В., Таланов В.М. // Успехи соврем. Естествознания. – 2012. – № 9. – С. 74–77.
9. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал = Research Journal of International Studies, 2014. – № 1(20). – Часть 2. – С. 32–33.
10. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал = Research Journal of International Studies, 2014. – № 1(20). – Часть 2. – С. 33–35.
11. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания. – 2014. – № 4. – С. 102–104.
12. Иванов В.В., Таланов В.М. // Кристаллография. – 2010. – Т. 55, № 3. – С. 385–398.
13. Иванов В.В., Таланов В.М. // Журнал неорганической химии. – 2010. – Т. 55, № 6. – С. 980–990.
14. Иванов В.В., Таланов В.М. // Физика и химия стекла. – 2008. – Т. 34, № 4. – С. 528–567.
15. Иванов В.В., Таланов В.М. // Журнал структурной химии. – 1992. – Т. 33, № 3. – С. 137–140.
16. Иванов В.В., Таланов В.М. // Журнал структурной химии. 1992. – Т.33. – № 5. – С.96-102.
17. Ivanov V.V., Talanov V.M. // Phys. Stat. Sol.(a). – 1990. – V. 122, № 2. – P. K109–112.
18. Иванов В.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. – 1996. – № 1. – С. 67–73.
19. Иванов В.В., Таланов В.М. // Соврем. наукоемкие технологии. – 2014. – № 10. – С. 25–33.
20. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2012. – Т. 3, № 4. – С. 82–100.
21. Иванов В.В., Таланов В.М. / Журн. структурн. химии. – 2013. – Т. 54, № 2. – С. 354–376.
22. Иванов В.В., Щербаков И.Н., Таланов В.М. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. – № 2. – С. 63–68.
23. Иванов В.В., Таланов В.М., Гусаров В.В. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2011. – Т. 2, № 3. – С. 121–134.
24. Иванов В.В., Таланов В.М. // Наносистемы: Физика, Химия, Математика, 2010. – Т. 1. – № 1. – С. 72–107.
25. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия – М.: МГУ, 1987. – 276 с.
26. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3-х томах. – М.: Мир, 1987/88, Т. 1. – 408 с.; Т. 2. – 696 с.; Т. 3. – 564 с.
27. Урусов В.С. Энергетическая кристаллохимия – М.: Наука, 1975. – 336 с.
28. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания, 2014. – № 7. – С. 96–99.
29. Беспалова Ж.И., Смирницкая И.В., Иванов В.В., и др. // Журн. прикладной химии. – 2010. – Т. 83. – Вып.2. – С. 244–248.
30. Иванов В.В., Арзуманова А.В., Балакай И.В., Балакай В.И. // Журн. прикладной химии, 2009. – Т. 82. – Вып. 5. – С. 797–802.
31. Иванов В.В., Щербаков И.Н. Моделирование композиционных никель-фосфорных покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2006. – 112 с.
32. Щербаков И.Н. Иванов В.В. и др. Химическое наноконструирование композиционных материалов и покрытий с антифрикционными свойствами. – Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки», 2011. – 132 с.
33. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. – 2013. – № 5. – С. 21–24.
34. Иванов В.В. // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2013. – № 10(3). – С. 493.
35. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. – 2013. – № 4. – С. 26–29.
36. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. – 2013. – № 4. – С. 30–33.
37. Дерлугян П.Д., Иванов В.В., Иванова И.В. и др. // Соврем. наукоемкие технологии. – 2013. – № 5. – С. 25–28.
38. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания. – 2013. – № 7. – С. 82–84.
39. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания. – 2013. – № 7 – С. 85–87.
40. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания. – 2013. – № 8 – С. 131–133.
41. Иванов В.В. // Междунар. науч.-иссл. журнал = Research Journal of International Studies, 2013. – № 8–1. – С. 65–66.
42. Иванов В.В. // Успехи соврем. естествознания. – 2014. – № 5. – С. 146–149.
43. Ivanov V.V. // International journal of experimental education, 2014. – № 4. – Part 2. – Р. 58–59.
44. Ivanov V.V. // International journal of experimental education, 2014. – № 4. – Part 2. – Р. 59–60.
45. Балакай В.И., Иванов В.В. // Евразийский Союз Ученых / Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). – М., 2014. – № 7. – Часть 1. Технические науки. – С. 60–61.

В различных разделах химии накоплен огромный экспериментальный материал, позволяющий выделять в кристаллических структурах веществ определенные группировки атомов, строение которых мало изменяется при изменении условий среды и кристаллизации. Известно немало подходов к решению задачи модульного дизайна структур новых веществ. В современных методах комбинаторного модульного дизайна структур кристаллов используются нульмерные структурные модули, динамический характер моделей формирования модульных 3D структур и символьное описание процесса их образования [1–5]. Методы модулярного дизайна 3D кристаллов (комбинаторный и итерационный) можно рассматривать как варианты реализации модульного дизайна, для которых используется структурный фрагмент (модуль) и анализируются его возможные варианты ориентационной и позиционной упорядоченности в вероятных модулярных структурах с сохранением кристаллохимической топологии [5–7].

Модулярное строение структур

Для проведения комбинаторного модулярного дизайна структур необходимо решить следующие комбинаторные задачи [5]:

1) выбор исходного для дизайна структурного модуля,

2) анализ различных вариантов распределения этих модулей в 3D пространстве и

3) моделирование вероятных модулярных структур в соответствии с определенными правилами-ограничениями.

Критерии выбора исходного структурного модуля сводятся к определению его качественного и количественного состава и конфигурации. Правила-ограничения для моделирования предполагают неизменность состава при формировании из модулей модульных блоков и равномерность распределения модулей и разнотипных модульных блоков в вероятных модулярных структурах. При этом наиболее вероятными модулярными структурами считаются структуры с минимальными периодами идентичности и с более симметричным расположением модулей и модульных блоков в направлении их упаковки [8–11].

Одним из принципов, определяющих возможность проведения модулярного дизайна, является принцип модулярного строения кристаллов [12, 13]. В соответствии с этим принципом в структуре каждого вещества может быть выбран фрагмент, при действии на который элементами симметрии, образующими пространственную группу симметрии кристалла, получается вся остальная структура в объеме элементарной ячейки. Однако не каждый выбранный таким образом структурный фрагмент – модуль – может быть использован для модулярного дизайна. Степень изолированности и кристаллохимическая топология данного модуля должны предполагать возможность многовариантного его объединения с такими же модулями в модульные блоки без изменения химического состава. Многообразие модулярных структур должно быть обеспечено множеством вероятных модульных блоков, которые могут быть упакованы с данным модулем и друг с другом по определенному закону.

Формирование модуля для заданного типа структуры с необходимой топологией (устойчивой конфигурацией, определенным количественным и качественным составом в объеме и на границах) основано на использовании представления о фундаментальном модуле. Фундаментальный модуль – это неизолированный фрагмент, структурные элементы которого принадлежат определенной части объема элементарной ячейки кристалла, соответствующей объему фундаментальной области пространственной группы. Фундаментальный модуль формально является минимальной структурной единицей [5].

Относительно компактными и симметричными являются базовые модули, составленные из наборов фундаментальных модулей и имеющие определенный центральный атом. Набор базовых модулей – индивидуальная характеристика каждого структурного типа, он определяет его модулярный спектр.

Алгоритм выбора модуля заданного структурного типа для комбинаторного модулярного дизайна должен включает следующие процедуры:

1) определение модулярных характеристик структурного типа по его кристаллографическому описанию,

2) анализ закона упаковки характеристического базового модуля и идентификация универсального закона упаковки модулей в вероятных модулярных структурах,

3) анализ вариантов целенаправленного изменения кристаллохимической топологии базовых модулей без изменения их состава,

4) выбор наиболее вероятного варианта неизолированного и достаточно компактного асимметричного модуля для последующего модулярного дизайна [13].

На примере ряда структурных типов, основанных на кубической плотнейшей упаковке атомов, проведено описание их модулярных характеристик – фундаментального и базовых модулей, а также модуля, с помощью которого может быть получено определенное многообразие модулярных структур, родственных исходному «материнскому» типу [14–19].

В [20–22] предложена система символьного описания структур на основе информации об их структуре (структурные коды), происхождении и эволюции развития и формирования (генетические коды). Структурные коды предназначены для идентификации и систематизации структурных типов кристаллов, генетические коды – для выявления особенностей формирования структурного типа и соответствующего ему многообразия модулярных структур, для идентификации структурных модулей – генераторов вероятных модулярных структур, для выявления взаимосвязей геометрических и топологических свойств генератора и аналогичных свойств соответствующих ему модулярных структур.

Структурные коды. Структурные коды 3D n-периодических структур могут быть представлены следующим образом:

R3n{BM(b) (G30) (||CP||) } [(LC)(G3n (z))] и

R3n{MMD(К, b) (G30) (||CP||)} [ S(LC)i (G3n (z))],

где BM(b) (G30) – состав базового модуля с указанием степени неизолированности b нецентральных атомов и его локальной симметрии G30, ||CP|| – матрица кодов пространственной упаковки модулей, LC – решеточный комплекс, в соответствии с образом которого данные модули упакованы в ячейке структуры c симметрией G3n, MMD(К, b) – состав не центросимметричного компактного и используемого для модулярного дизайна модуля с указанием его компактности К, степени неизолированности нецентральных атомов b и локальной симметрии, S(LC)i – совокупность решеточных комплексов, занятых модулями MMD и модульными блоками из них в ячейке i–й модулярной структуры с симметрией G3n .

Информационные коды 3D структур предназначены для идентификации структурного типа веществ, формализации топологических преобразований структур с использованием сети известных генетических взаимосвязей между ними, выявления новых генетических взаимосвязей между структурами на основе анализа топологических свойств базовых модулей, определения структурных модулей для модулярного дизайна, для получения и описания соответствующих им модулярных структур.

Генетические коды структур. Символьное описание генетического кода структуры в общем случае можно представить следующим образом:

R33{G(M(К, b))} [T(S(LC)i)],

где G(M(К,b)) – описание генератора структуры с помощью геометрических и топологических характеристик фрагмента М; T(S(LC)i)– топология взаимного позиционирования модулей, представленная как совокупность занятых ими решеточных комплексов S(LC)i.

В качестве основы для формирования локальной структуры для соответствующей группы модулярных структур может быть выбран модуль M с определенной конфигурацией, симметрией G30 и топологией граничных элементов. Процедура первой стадии формирования локальной структуры определяется соответствующим законом транскрипции T||i||,m: Rloc = R30(Tim), а процедура размножения данной локальной структуры в 3D пространстве с образованием модульной структуры R33 – эволюционным законом E||k||:

R33 = Rloc(Ek) = R33(Tim, Ek).

Если символьное описание кода локальной структуры

Rloc = R30(Tim) = R30{M(G30)(||i||,m)},

то совместное действие законов транскрипции и эволюции – в виде кода 3D трижды периодической модулярной структуры:

R33 = R33{M(G30)(||i||,m, ||k||)} [S(LC)i (G33(z))].

Здесь приняты следующие обозначения: ||i|| – матрица индексов ветвления модуля М, которая определяется его конфигурацией и топологией. В случае прямоугольных ячеек структурированного 3D пространства возможные ветвления определяются количеством его вершин (iv), ребер (ir) и граней (ig), т.е. ||i|| = (iv, ir, ig). m [0,1,2,…] – целочисленный индекс, характеризующий размерный параметр локальной структуры, ||k|| – матрица индексов ветвления вторичных ядер, изоморфная матрице индексов ветвления ||i||.

Установлено, что для каждого варианта разбиения пространства симметрия G33(z) образующихся по законам транскрипции и эволюции полиэдрических модулярных структур R33(Tim, Ek) и характеристики занятых решеточных комплексов находятся во взаимно однозначном соответствии. При значениях параметра m больше 1 возможно образование локальных структур, которые содержат пустые пространственные ячейки, которые на стадии трансляции приводят к образованию микропористых модулярных структур. Упаковки модулей в беспористых и некоторых микропористых структурах соответствуют кодам их упаковки, представленной матрицей ||СР|| структурного кода.

Модулярное строение наноструктур

В [23, 24] с учетом принципа модулярного строения наноструктур рассмотрены вопросы выбора модуля для модулярного дизайна и алгоритм комбинаторного моделирования. В качестве структурного модуля предложены совокупности атомов, расположенные в вершинах полигонов. Полигоны являются одними из хорошо известных универсальных оптимумов в 2D пространстве. В 3D пространстве аналогичную роль выполняют полиэдры, грани которых представляют собой вышеперечисленные полигоны. Представители обоих видов универсальных оптимумов являются достаточно компактными образованиями. В структурной кристаллографии и структурной неорганической химии они известны давно как неизолированные фрагменты атомных сеток или полиэдрических слоев огромного множества кристаллических структур [25–27].

В [28] сформулированы принципы формирования детерминистических наноструктур на поверхности и в объеме 3D объектов. Методом комбинаторного модулярного дизайна сконструированы вероятные 1D однопериодические L{Pg}(T) и 2D дважды периодические наноструктуры P(S{Pg})(T) из топологически идентичных полигонов и соответствующие им плоские C{Pg}(T) и объемные (циклические C{P}(T) и винтовые S{P}(T)) наноструктуры [23, 24]. Информационные коды наноструктур представлены трехпозиционной символьной записью вида: N (S{P})(T). На первой позиции (N) стоит символ, характеризующий разновидность наноструктуры, например: L (линейная), C (циклическая) или S (спиральная) – для одномерно-периодических наноструктур и их производных, P (плоская) или Cy (цилиндрическая) – для 2D дважды периодических наноструктур и их производных. Символами (S{P}) обозначена информация о геометрии N-гонов в определенной {P}-комбинации (полигонов {Pg} или полиэдров {Ph}), выполняющих в данной наноструктуре роль модуля. Последняя позиция – кристаллохимическая топология полигонов или полиэдров, образующих наноструктуру [24].

В качестве основы для формирования локальной 2D наноструктуры для соответствующей группы модулярных наноструктур может быть выбран модуль M с определенной конфигурацией полигона, симметрией G20 и топологией граничных элементов. По аналогии с R33 структурами процедура первой стадии формирования локальной наноструктуры определяется соответствующим законом транскрипции T||i||,m: Rloc = R20(Tim), а процедура размножения данной локальной структуры в 2D пространстве с образованием модульной структуры R22 – эволюционным законом E||k||:

R22 = Rloc(Ek) = R22(Tim, Ek).

Если символьное описание кода локальной структуры

Rloc = R20(Tim) = R20{M(G20)(||i||,m)},

то совместное действие законов транскрипции и эволюции – в виде кода 2D дважды периодической модулярной структуры:

R22 = R22{M(G20)(||i||,m, ||k||)} [S(LC)i (G22(z))].

Здесь приняты следующие обозначения: ||i|| – матрица индексов ветвления модуля М, которая определяется его конфигурацией и топологией. В случае прямоугольных ячеек структурированного 2D пространства возможные ветвления определяются количеством его вершин (iv) и ребер (ir), т.е. ||i|| = (iv, ir). m [0,1,2,…] – целочисленный индекс, характеризующий размерный параметр локальной 2D наноструктуры, ||k|| – матрица индексов ветвления вторичных ядер, изоморфная матрице индексов ветвления ||i||.

Сформулированные принципы модулярного строения кристаллических и наноразмерных фаз были использованы при интерпретации свойств поверхности композиционных покрытий [29–45].

Выводы

Сформулированы принципы модулярного строения 3D структур кристаллов и возможных наноструктурных фрагментов, на основе которых разработаны методы комбинаторного и итерационного модулярного дизайна 3D структур кристаллов, а также 1D и 2D наноструктур. Разработана и предложена система функциональных символьных представлений моделируемых структур с помощью информационных (структурных и генетических) кодов, характеризующих особенности строения и вероятные процессы образования модулярных 2D и 3D структур.


Библиографическая ссылка

Иванов В.В. МОДУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ КОДЫ ВЕРОЯТНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ФРАГМЕНТОВ И СТРУКТУР КРИСТАЛЛОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 8-5. – С. 884-888;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7264 (дата обращения: 01.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074