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Predicción de la estructura cristalina

La predicción de la estructura cristalina ( CSP ) es el cálculo de las estructuras cristalinas de los sólidos a partir de los primeros principios . Los métodos confiables para predecir la estructura cristalina de un compuesto, basándose únicamente en su composición, han sido un objetivo de las ciencias físicas desde la década de 1950. [1] Los métodos computacionales empleados incluyen recocido simulado , algoritmos evolutivos , análisis multipolar distribuido , muestreo aleatorio, salto de cuenca , minería de datos , teoría funcional de la densidad y mecánica molecular . [2]

Historia

Las estructuras cristalinas de los sólidos iónicos simples se han racionalizado desde hace mucho tiempo en términos de las reglas de Pauling , establecidas por primera vez en 1929 por Linus Pauling . [3] Para los metales y semiconductores, existen diferentes reglas que involucran la concentración de electrones de valencia. Sin embargo, la predicción y la racionalización son cosas bastante diferentes. Más comúnmente, el término predicción de la estructura cristalina significa una búsqueda de la disposición de energía mínima de sus átomos constituyentes (o, para cristales moleculares, de sus moléculas) en el espacio. El problema tiene dos facetas: combinatoria (el "espacio de fase de búsqueda", en la práctica más agudo para cristales inorgánicos), y energética (o "clasificación de estabilidad", más aguda para cristales orgánicos moleculares). Para cristales no moleculares complejos (donde el "problema de búsqueda" es más agudo), los principales avances recientes han sido el desarrollo de la versión Martonak de la metadinámica , [4] [5] el algoritmo evolutivo de Oganov-Glass USPEX, [6] y la búsqueda aleatoria de primeros principios. [7] Estos últimos son capaces de resolver el problema de optimización global con hasta cien grados de libertad, mientras que el enfoque de la metadinámica es reducir todas las variables estructurales a un puñado de variables colectivas "lentas" (lo que a menudo funciona).

Cristales moleculares

La predicción de las estructuras cristalinas orgánicas es importante en la ciencia académica e industrial, en particular para los productos farmacéuticos y los pigmentos , donde es beneficioso comprender el polimorfismo . [8] Las estructuras cristalinas de las sustancias moleculares, en particular los compuestos orgánicos, son muy difíciles de predecir y clasificar en orden de estabilidad. Las interacciones intermoleculares son relativamente débiles, no direccionales y de largo alcance. [9] Esto da como resultado diferencias típicas de energía libre y reticular entre polimorfos que a menudo son solo de unos pocos kJ/mol, y muy rara vez superan los 10 kJ/mol. [10] Los métodos de predicción de la estructura cristalina a menudo ubican muchas estructuras posibles dentro de este pequeño rango de energía. Estas pequeñas diferencias de energía son difíciles de predecir de manera confiable sin un esfuerzo computacional excesivo.

Desde 2007, se han logrado avances significativos en la CSP de pequeñas moléculas orgánicas, con varios métodos diferentes que han demostrado ser eficaces. [11] [12] El método más ampliamente discutido clasifica primero las energías de todas las posibles estructuras cristalinas utilizando un campo de fuerza MM personalizado y termina utilizando un paso de DFT corregido por dispersión para estimar la energía reticular y la estabilidad de cada estructura candidata preseleccionada. [13] Los esfuerzos más recientes para predecir las estructuras cristalinas se han centrado en estimar la energía libre del cristal incluyendo los efectos de la temperatura y la entropía en los cristales orgánicos utilizando análisis vibracional o dinámica molecular. [14] [15]

Software de predicción de la estructura cristalina

Los siguientes códigos pueden predecir estructuras estables y metaestables dada la composición química y las condiciones externas (presión, temperatura):

Lectura adicional

Referencias

  1. ^ GR Desiraju (2002). "Cristalografía críptica". Nature Materials . 1 (2): 77–79. doi :10.1038/nmat726. PMID  12618812. S2CID  6056119.
  2. ^ SM Woodley, R. Catlow; Catlow (2008). "Predicción de la estructura cristalina a partir de los primeros principios". Nature Materials . 7 (12): 937–946. Bibcode :2008NatMa...7..937W. doi :10.1038/nmat2321. PMID  19029928.
  3. ^ L. Pauling (1929). "Los principios que determinan la estructura de los cristales iónicos complejos". Revista de la Sociedad Química Americana . 51 (4): 1010–1026. doi :10.1021/ja01379a006.
  4. ^ Martonak R., Laio A., Parrinello M. (2003). "Predicción de estructuras cristalinas: el método Parrinello-Rahman revisado". Physical Review Letters . 90 (3): 75502. arXiv : cond-mat/0211551 . Código Bibliográfico :2003PhRvL..90g5503M. doi :10.1103/physrevlett.90.075503. PMID  12633242. S2CID  25238210.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ Martonak R., Donadio D., Oganov AR, Parrinello M.; Donadío; Oganov; Parrinello (2006). "Transformaciones de la estructura cristalina en SiO 2 desde la metadinámica clásica y ab initio". Materiales de la naturaleza . 5 (8): 623–626. Código bibliográfico : 2006NatMa...5..623M. doi :10.1038/nmat1696. PMID  16845414. S2CID  30791206.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ^ Oganov, AR; Glass, CW (2006). "Predicción de la estructura cristalina utilizando técnicas evolutivas ab initio: principios y aplicaciones". Journal of Chemical Physics . 124 (24): 244704. arXiv : 0911.3186 . Bibcode :2006JChPh.124x4704O. doi :10.1063/1.2210932. PMID  16821993. S2CID  9688132.
  7. ^ Pickard, CJ; Needs, RJ (2006). "Fases de alta presión del silano". Physical Review Letters . 97 (4): 045504. arXiv : cond-mat/0604454 . Código Bibliográfico :2006PhRvL..97d5504P. doi :10.1103/PhysRevLett.97.045504. PMID  16907590. S2CID  36278251.
  8. ^ Price, Sarah L. (10 de marzo de 2014). "Predicción de estructuras cristalinas de compuestos orgánicos". Chemical Society Reviews . 43 (7): 2098–2111. doi : 10.1039/C3CS60279F . ISSN  1460-4744. PMID  24263977.
  9. ^ Stone, Anthony (2013). La teoría de las fuerzas intermoleculares . Oxford University Press.
  10. ^ Nyman, Jonas; Day, Graeme M. (2015). "Diferencias de energía vibracional estática y reticular entre polimorfos". CrystEngComm . 17 (28): 5154–5165. doi : 10.1039/C5CE00045A .
  11. ^ K. Sanderson (2007). "Modelo predice la estructura de los cristales". Nature . 450 (7171): 771. Bibcode :2007Natur.450..771S. doi : 10.1038/450771a . PMID  18063962.
  12. ^ Día, Graeme M.; Cooper, Timothy G.; Cruz-Cabeza, Aurora J.; Hejczyk, Katarzyna E.; Amón, Herman L.; Boerrigter, Stephan XM; Bronceado, Jeffrey S.; Della Valle, Raffaele G.; Venuti, Elisabetta; José, Jován; Gadre, Shridhar R.; Desiraju, Gautam R.; Thakur, Tejender S.; Van Eijck, Bouke P.; Facelli, Julio C.; Bazterra, Víctor E.; Ferraro, Marta B.; Hofmann, Detlef WM; Neumann, Marco A.; Leusen, Frank JJ; Kendrick, Juan; Precio, Sarah L.; Misquitta, Alston J.; Karamertzanis, Panagiotis G.; Welch, Gareth WA; Scheraga, Harold A.; Arnautova, Yelena A.; Schmidt, Martín U.; Van De Streek, Jacco; et al. (2009). "Avances significativos en la predicción de las estructuras cristalinas de pequeñas moléculas orgánicas: un informe sobre la cuarta prueba a ciegas" (PDF) . Acta Crystallographica B. 65 ( Pt 2): 107– 125. doi : 10.1107/S0108768109004066 . PMID:  19299868.
  13. ^ MA Neumann, FJJ Leusen, J. Kendrick; Kendrick (2008). "Un avance importante en la predicción de la estructura cristalina". Angewandte Chemie International Edition . 47 (13): 2427–2430. arXiv : 1506.05421 . doi :10.1002/anie.200704247. PMID  18288660.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  14. ^ Reilly, Anthony M.; Cooper, Richard I.; Adjiman, Claire S .; Bhattacharya, Saswata; Boese, A. Daniel; Brandeburgo, Jan Gerit; Bygrave, Peter J.; Bylsma, Rita; Campbell, Josh E.; Coche, Roberto; Caso, David H.; Chadha, Renu; Cole, Jason C.; Cosburn, Katherine; Cuppen, Herma M.; Curtis, Farren; Día, Graeme M.; DiStasio, Robert A.; Dzyabchenko, Alejandro; Van Eijck, Bouke P.; Elking, Dennis M.; Van Den Ende, Joost A.; Facelli, Julio C.; Ferraro, Marta B.; Fusti-Molnar, Laszlo; Gatsiou, Cristina Anna; Vaya, Thomas S.; De Gelder, René; Ghiringhelli, Luca M.; et al. (2016). "Informe sobre la sexta prueba a ciegas de métodos de predicción de la estructura cristalina orgánica". Acta Crystallographica B . 72 (4): 439–459. Bibcode :2016AcCrB..72..439R. doi :10.1107/S2052520616007447. PMC 4971545 . PMID  27484368. 
  15. ^ Dybeck, Eric C.; Abraham, Nathan S.; Schieber, Natalie P.; Shirts, Michael R. (2017). "Captura de contribuciones entrópicas a las transformaciones polimórficas mediadas por la temperatura a través del modelado molecular". Revista de teoría y computación química . 17 (4): 1775–1787. doi :10.1021/acs.cgd.6b01762.