ИСТИНА

Практическая значимость материалов на основе соединений включения не может быть переоценена. Во многом, разнообразие их приложений обусловлено спецификой т.н. взаимодействий «гость-хозяин», которая в сочетании с размером пор придает соединениям включения уникальные адсорбционные свойства. В этом смысле моделирование динамики молекул «гостя», позволяющее не только объяснять, но и предсказывать адсорбционные свойства соединений включения, является одним из наиболее важных направлений теоретических исследований в этой области. В настоящее время большинство методов моделирования динамики соединений включения, да и вообще, супрамолекулярных ассоциатов, основано на подходах молекулярной механики, сопоставляющих геометрии системы определенную энергию при помощи т.н. парных потенциалов. Эти методы, несмотря на их удобство и относительную простоту в использовании, имеют, по крайней мере, два существенных недостатка: физическая «нестрогость» и необходимость выбора типа силовых полей молекулярной механики для решения конкретной задачи. С другой стороны, физически обоснованные методы расчетов, такие как теория волновых функций или теория функционала плотности, чрезвычайно ресурсозатратны, что ограничивает их применимость для моделирования динамики атомных агрегатов. Эти недостатки имеющихся теоретических методов делают весьма актуальными исследования, направленные на разработку других подходов к описанию взаимодействий «гость-хозяин», позволяющих, с одной стороны, проводить экспрессное моделирование динамики молекул «гостя» в любых соединениях включения, а с другой, предсказывать свойства нанопористых материалов с приемлемой точностью. Настоящий проект направлен на создание общей, свободной от ограничений используемых в настоящее время методов, методологии моделирования взаимодействий «гость-хозяин» и динамики молекул «гостя» в соединениях включения. Путем решения задачи проекта, определяющим его новизну, являются систематические исследования взаимодействий «гость-хозяин» с использованием подходов анализа скалярных полей, определяемых в реальном пространстве и применяемых для описания межатомного связывания. Характеристики скалярных полей, как язык описания межатомных взаимодействий, являются физически обоснованной альтернативой подходам молекулярной и квантовой механики и могут быть получены как экспериментально, для монокристаллических тел, так и теоретически, в том числе с использованием моделей, не требующих проведения ресурсозатратных квантово-химических расчетов. В качестве подходов к описанию связывания «гость-хозяин» будут апробированы различные скалярные поля. В частности, выявление и определение свойств невалентных взаимодействий «гость-хозяин» будет проводиться на основании топологического анализа и анализа изоповерхностей распределения электронной плотности, электростатического потенциала, плотностей кинетической, потенциальной и полной электронной энергии, лапласиана электронной плотности, функций LOL, ELF и RDG. Основными объектами исследований выступят супрамолекулярные соединения металлоорганических каркасов и цеолитов. В то же время, методы описания взаимодействий «гость-хозяин» и изучения динамики молекул в кристалле также будут отрабатываться на кристаллах органических солей, кристаллах с Z'>1, сокристаллах и сольватоморфах. Важно отметить, что систематические исследования взаимодействий «гость-хозяин» с использованием методов анализа скалярных полей ранее не проводились, а анализ скалярных полей до сих пор фактически не рассматривался как метод описания взаимодействий, пригодный для целей моделирования динамики атомно-молекулярных или супрамолекулярных систем. Таким образом, поставленная задача проекта характеризуется значительным элементом научной новизны, поскольку направлена на поиск новых метрик (характеристик некоторых скалярных полей) для разработки переносимого подхода к моделированию динамики супрамолекулярных систем, в том числе и соединений включения, и их скринингу для получения корреляций «структура-свойство». Помимо отработки общей методологии изучения соединений включения, как и любых других супрамолекулярных систем, исследования по тематике данного проекта, очевидно, позволят решить целый ряд локальных задач, связанных с описанием конкретных систем.

Practical relevance of materials based on inclusion compounds cannot be overestimated. The diversity of their applications is in many respects caused by the nature of the so-called "host-guest" interactions: specific features of this type of interatomic bonding together with the pore size can serve as an origin of unique adsorption properties of inclusion compounds. In this sense, the simulation of "guest" molecule dynamics is one of the most important trends in theoretical studies of the field, as it allows not only to explain but also to predict adsorption properties of inclusion compounds. Nowadays, the majority of methods, which simulate molecular dynamics of inclusion compounds and other supramolecular associates, are based on concepts of molecular mechanics which correlates the geometry of a system with its energy by so-called pair potentials. Though these methods are convenient and easy-to-use, they fail in physical rigour and require a wise choice of molecular mechanics force fields to solve a particular task. On the contrary, physically sound simulation methods, such as wavefunction and density functional theories, are very resource-consuming that limits their usage in simulations of molecular dynamics of large systems. These shortcomings of available theoretical methods make it to be of great importance to explore another approaches which can describe "host-guest" interaction properly and to be the central paradigm of a new low-cost method giving accurate prediction of properties of porous materials. This project is aimed at the development of a general and free from abovementioned limitations methodology of simulations of "host-guest" interactions and dynamics of "guest" molecules within inclusion compounds. We suggest an original solution of the problem which is based on regular investigations of "host-guest" interactions using analysis of real-space scalar fields describing interatomic bonding. While these scalar fields can be gathered from both, experimental and theoretical data (in particular by using non-demanding physical models), their analysis is the viable and rigorous alternative to conventional methods of molecular mechanics and quantum chemistry. Testing of various scalar fields is in plans regarding the "host-guest" bonding. Namely, indications and characterization of "host-guest" interactions will be based on results of topological analysis and/or analysis of isosurfaces of electron density, electrostatic potential, densities of electronic kinetic, potential and full energy, laplacian of electron density, LOL, ELF and RDG functions. The supramolecular associates of metalorganic frameworks and zeolites are suggested as the main objects of investigations. At the same time, the procedure of description of "host-guest" interactions and investigations of atomic dynamics in crystals will be tested on crystals of organic salts, crystals with Z'>1, co-crystals and solvatomorphs. Noteworthy, the regular studies of "host-guest" interactions have not been yet conducted in terms of scalar fields, while the analysis of the latter has not been considered earlier as the method which is suitable for purposes of simulations of dynamics of molecular or supramolecular systems. In summary, the main project task contains a novel aspect of the field, as it is focused on the search for new metrics (features of scalar fields) to develop a transferable method of supramolecular dynamics simulations and corresponding screening of relevant systems to find new "structure-property" relations. Aside from methodological tasks, the proposed investigations will clearly allow to solve a number of local problems for various particular systems - potential materials.

В рамках выполнения данного проекта будет предложен и апробирован принципиально новый подход к количественному описанию взаимодействий «гость-хозяин» и динамики молекул «гостя» в соединениях включения, что является необходимым этапом направленного дизайна соединений включения и материалов на их основе. Будут детально сопоставлены различные подходы, основывающиеся на анализе скалярных полей, их топологических характеристик и изоповерхностей, для создания методологии наиболее полного описания связывания «гость-хозяин» в целях разработки переносимого метода моделирования динамики молекулы «гостя». Будет получена информация о природе и прочности взаимодействий «гость-хозяин» в зависимости от типа молекулы «гостя» и изучена предпочтительность супрамолекулярной ассоциации как с точки зрения направленности и ковалентного вклада взаимодействия «гость-хозяин», так и с точки зрения положения молекулы «гостя» в порах «хозяина». Помимо отработки общей методологии изучения соединений включения, как и любых других супрамолекулярных систем, исследования в рамках данного проекта, очевидно, позволят решить целый ряд локальных задач, связанных с описанием конкретных систем – потенциальных материалов.

Несмотря на свой молодой возраст, научный коллектив обладает значительным научным заделом, который может существенно упростить решение основной задачи проекта. В частности, коллективом исполнителей на основании теории Р. Бейдера «Атомы в Молекулах» активно разрабатываются новые подходы к оценкам прочности межатомных взаимодействий на основании характеристик скалярных полей. Так, ранее нами обнаружены корреляционные зависимости 1) между величиной плотности потенциальной энергии в критической точке (3,-1) электронной плотности/интегралом плотности потенциальной энергии по межатомной поверхности нулевого потока электронной плотности и силовой постоянной двухатомного колебания связанных атомов [J. Phys. Chem. A, 2017, 121, 4517], 2) между интегралом плотности потенциальной энергии или электронной плотности по межатомной поверхности нулевого потока электронной плотности и энергией связывания невалентных взаимодействий [Romanova, A. A., Lyssenko, K. A., Ananyev, I. V., J. Comput. Chem., 2018, accepted] (см. рис. 1). Преимуществом этих подходов, с одной стороны, является их универсальность (обе корреляции покрывают весьма широкий набор типов межатомных взаимодействий), а с другой – химически более интуитивная индикация межатомных взаимодействий. В частности, для взаимодействий с достаточно пологим распределением электронной плотности между атомами поиск критической точки (3,-1) затруднителен, тогда как поверхности нулевого потока между группами атомов сохраняются независимо от количества критических точек (3,-1) между ними.