Ученые ННГУ имени Лобачевского с помощью суперкомпьютерных вычислений установили 543 устойчивых атомных кластера магния. Эти уникальные пространственные структуры могут стать основой новых наноматериалов для катализа, квантовых вычислений, микро- и наноэлектроники.
В ННГУ обнаружили уникальные магниевые структуры для наноматериалов / ©Getty images
«Представьте, что у вас есть набор из нескольких десятков или сотен атомов металла, то есть кластер, и есть возможность формировать разные изомеры этих кластеров. Некоторые из них, возможно, будут обладать ценными свойствами – каталитической или оптической активностью, свойствами электронных или квантовых устройств, – рассказывает один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярного моделирования и хемоинформатики Станислав Игнатов.
– На практике подобные решения означают создание новых наноматериалов, например, с пористой структурой, более высокой способностью поглощать водород, ускорять реакции и так далее».
По словам ученых, из астрономического количества возможных изомеров – пространственных структур, – химия допускает существование только очень небольшого их числа. Просматривая полный набор всех возможных изомеров, можно искать структуры с полезными свойствами.
Несмотря на то, что простой математический расчет приводит к астрономическому числу в десятки квинтиллионов вариантов, смоделировать электронные структуры возможно с помощью квантово-механических методов. Ученые ННГУ произвели расчеты с помощью теории функционала плотности. Было обнаружено, что для кластеров числом от двух до 13 атомов существуют всего лишь 543 устойчивых уникальных структуры.
«Например, анализ найденного расширенного набора изомеров для кластеров Mg2-Mg35 позволил выявить структуры, которые особенно устойчивы, а также найти новые магниевые структуры, похожие на нанотрубки. В отличие от ранее проводимых исследований, анализ электронной плотности в полном наборе изомеров демонстрирует удивительные закономерности их поляризуемости, распределения зарядов и электронной плотности в них», – поясняет Станислав Игнатов.
Исследование состоялось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Расчеты проводились на суперкомпьютере Stampede2 Техасского университета в Остине. Результаты представлены в американском журнале TheJournal of PhysicalChemistry.
