Molekulare Modellierung von metallorganischen Gerüsten
Aus dreidimensionalen und regelmäßigen Netze von Metallen, Metallclustern oder Metalloxidclustern bestehende und durch organische Linker zusammengehaltene metallorganische Gerüste (MOF) weisen eine große Vielfalt von einzigartigen Eigenschaften auf. Daher überrascht es nicht, dass MOF Anwendungen in Bereichen finden, die von der Gasspeicherung und der Katalyse bis hin zu Photovoltaik und Medikamentenverabreichung reichen. Die Palette von Komponenten, die für die Synthese solcher komplexen Strukturen zur Verfügung stehen, ist jedoch so groß, dass es schwierig ist, vorherzusagen, welche MOF die gewünschten Eigenschaften für spezifische Anwendungen haben werden. Die Verwendung eines generischen Kraftfelds, das für Moleküle wie Proteine und Kohlenwasserstoffe abgeleitet wurde, bietet ein Mittel zum schnellen Screenen von Materialzusammensetzungen. Das mit EU-Mitteln geförderte Projekt GA MOF (An optimised genetic algorithm to computationally predict a metal-organic framework to separate helium from methane) wurde initiiert, um das bestehende universelle Kraftfeld (UFF) zu verbessern. Ziel war es, das UFF zu erweitern, um die gemeinsamen MOF-Motive genau zu beschreiben und auf diese Weise ihr rationales Design zu fördern. Die Wissenschaftler von GA MOF erweiterten die ursprünglichen UFF-Parameter so, dass sie die Übergangsmetall-Elemente Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Sc und Al enthalten. Die Referenzgeometrien, die bei der Ableitung der Kraftfeldparameter der neuen Atomtypen, wie sie in anorganischen Metallclustern erscheinen, eingesetzt wurden, wurden aus experimentellen Daten oder Dichtefunktionalrechnungen gewonnen. Das neue Kraftfeld erhielt die Bezeichnung UFF4MOF und wurde mit der Autografs-Datenbank (Automated Topological Generator for Framework Structures) für die Schaffung von MOF-Strukturen aus beliebigen Bausteinen verknüpft. Bis zum Ende des GA MOF-Projekts umfasste Autografs 68 verschiedene Topologien, 28 Konnektoren und 83 Linker. Zusammen mit den Informationen zu molekularen Bausteinen, die aus verbreiteten MOF extrahiert wurden, können über 10.000 verschiedene Gerüststrukturen erstellt werden. Die Autografs-Software wurde unter Open Source-Lizenz freigegeben und kann hier heruntergeladen werden. Das Team von GA MOF hat bereits mit einem Industriepartner die Möglichkeit der Bereitstellung eines unterstützten Software-Release verhandelt, das Forschern helfen soll, Gerüststrukturen von unmittelbarem Interesse für ihre Arbeit einfach zu erstellen.
Schlüsselbegriffe
Molekulare Modellierung, metallorganische Gerüste, Kraftfeld, Gerüststrukturen, Autografs
