Modelowanie molekularne struktur metaloorganicznych
Struktury metaloorganiczne (MOF), składające się z trójwymiarowych i okresowych sieci metali, klastrów metali lub klastrów metal-tlenek połączonych organicznymi cząsteczkami łączącymi, charakteryzują się szerokim wachlarzem wyjątkowych właściwości. Nie dziwi zatem fakt, że MOF znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, od magazynowania gazu i katalizy po fotowoltaikę i systemy dostarczania leków. Jednakże zakres komponentów dostępnych do syntetyzowania tak złożonych struktur jest tak rozległy, że trudno jest przewidzieć, które MOF posiadają pożądane właściwości potrzebne do określonych zastosowań. Zastosowanie generycznego pola siłowego uzyskanego z cząstek takich jak białka i węglowodory umożliwia szybkie badania przesiewowe składu materiałów. Dzięki finansowaniu ze środków UE powstał projektu GA MOF (An optimised genetic algorithm to computationally predict a metal-organic framework to separate helium from methane), którego celem było udoskonalenie istniejącego uniwersalnego pola siłowego (UFF). Założeniem projektu było rozszerzenie UFF w taki sposób, by możliwe było dokładne opisanie zwykłych motywów MOF, a tym samym ułatwienie ich racjonalnego projektowania. Zespół projektu GA MOF rozszerzył oryginalny zbiór parametrów UFF, aby włączyć metale przejściowe Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Sc oraz Al. Geometrie referencyjne zastosowane do osiągnięcia parametrów pola siłowego atomów nowego typu występujących w nieorganicznych klastrach metali uzyskano na podstawie danych eksperymentalnych lub obliczeń teorii funkcjonału gęstości. Nowe pole siłowe nazwano UFF4MOF. Jest ono powiązane ze zautomatyzowanym generatorem topologicznym dla struktur szkieletowych (Autografs) służącym do budowy konstrukcji MOF z dowolnych modułów budulcowych. Z chwilą zakończenia realizacji projektu GA MOF, baza danych Autografs zawierała 68 różnych topologii, 28 złącz i 83 cząsteczek łączących. W połączeniu z informacjami na temat molekularnych modułów budulcowych uzyskiwanymi ze zwykłych MOF, możliwe jest skonstruowanie ponad 10 000 odmiennych konstrukcji szkieletowych. Oprogramowanie Autografs, udostępnione na zasadzie open source, można pobrać tutaj. Zespół projektu GA MOF prowadzi już negocjacje z partnerem przemysłowym na temat możliwości udostępnienia wersji oprogramowania wspomagającego, które ułatwi badaczom wygodne tworzenie konstrukcji szkieletowych o bezpośrednim zastosowaniu w ich pracy.
Słowa kluczowe
Modelowanie molekularne, struktury metaloorganiczne, pole siłowe, struktury szkieletowe, Autografs
