В числе основных направлений работы:
- разработка уникального программного обеспечения по моделированию новых материалов и интеллектуальному анализу экспериментальных данных;
- создание электронных баз данных нового поколения для эвристического прогнозирования физических свойств твердых веществ;
- разработка первых экспертных систем в материаловедении для эффективного поиска материалов с заданными свойствами;
- онлайн-консультации по вопросам применения теоретических методов в материаловедении;
- организация научных школ и семинаров по теоретическому материаловедению.
Мы работаем в области теоретического материаловедения и кристаллохимии более 25 лет, а в течение последних 15 лет активно участвуем в разработке новых методов супрамолекулярной химии и инженерии кристаллов. Нами разработаны уникальные методы кристаллохимического анализа, позволяющие изучать строение и свойства кристаллических материалов любого состава и реализованные в комплексе компьютерных программ ToposPro (авторы – В.А. Блатов и А.П. Шевченко).
Ниже кратко охарактеризованы основные алгоритмы системы ToposPro, которые ложатся в основу создаваемого в МНИЦТМ нового программного обеспечения.
1. Алгоритм представления бесконечной периодической атомной сетки в виде конечного фактор-графа, информация о котором может быть сохранена в машинном виде. ToposPro использует уникальный формат представления матрицы смежности фактор-графа, позволяющий представлять матрицу смежности структуры любого химического соединения в компактном виде. Представленный таким образом фактор-граф содержит всю информацию о топологии атомной сетки; эта информация может затем быть использована для поиска корреляций с химическим составом и физическими свойствами вещества.
2. Алгоритм поиска конечного подграфа в бесконечном периодическом графе. Данный алгоритм не имеет мировых аналогов – все известные алгоритмы поиска оперируют конечными графами. В нём бесконечный периодический граф представляется в виде конечного графа за счёт процедуры факторизации. В результате, в частности, оказывается возможным поиск нанокластеров и молекулярных объектов в структуре кристаллов.
3. Алгоритм определения топологического типа атомной сетки путём сравнения набора топологических индексов её графа с топологическими индексами эталонных сеток. В отличие от известных программ расчёта топологических индексов, ToposPro использует наиболее широкий спектр индексов (координационные последовательности атомов, точечные и вершинные символы). В результате топология атомной сетки однозначно характеризуется набором индексов, который может быть сохранен в машинном виде.
4. Алгоритм представления атомов и молекул в виде их полиэдров Вороного-Дирихле. В отличие от других программ построения областей Вороного, в ToposPro реализован эффективный алгоритм «заворачивания подарка», который позволяет рассчитывать миллионы полиэдров Вороного-Дирихле за приемлемое время и поэтому может быть использован при обработке больших баз данных. В результате каждому атому и молекуле в ToposPro составляется его геометрический образ (полиэдр Вороного-Дирихле), характеристики которого могут быть сопоставлены с физическими свойствами атомов и молекул.
5. Алгоритм построения тайлинга (разбиения) бесконечной периодической атомной сетки на конечные области (тайлы), которые характеризуют пористую структуру вещества, что важно при прогнозировании ионной проводимости и ионообменных свойств твердых веществ. ToposPro – единственная программа, позволяющая осуществлять построение тайлинга для любой атомной сетки. В основе алгоритма лежит анализ системы так называемых «сильных» колец атомной сетки (т.е. колец, не являющихся суммой колец меньшего размера). Тайлы представляют собой тела, ограниченные совокупностью непересекающихся «сильных» колец; каждый тайл соответствует полости в атомной сетке.
6. Эвристические алгоритмы поиска корреляций между химическим составом соединения, его кристаллической структурой и такими физическими свойствами, как летучесть, ионная проводимость, ионообменная емкость, магнитная восприимчивость. Данные алгоритмы были обоснованы нами теоретически, однако их программная реализация ещё не завершена. Их основной особенностью является рассмотрение топологии как важнейшей характеристики структуры кристалла, коррелирующей с его физическими свойствами. Установление таких корреляций становится возможным благодаря машинному представлению в системе ToposPro топологии кристаллической структуры в виде фактор-графа. Все указанные эвристические алгоритмы не имеют мировых аналогов.
Автоматизированная система ToposPro снабжена постоянно пополняющимися базами данных, содержащими информацию по строению практически всех структурно изученных к настоящему времени химических веществ. В настоящее время коллекции данных TTD, TTO, TTS и TTR включают информацию о более чем 104000 топологических типах кристаллических структур и их встречаемости в химических соединениях. Совсем недавно созданы три новых коллекции TTL, TTM и TTN, содержащие сведения о молекулярных фрагментах (лигандах, молекулах, нанокластерах) кристаллических структур различной химической природы. Разработан ряд сервисов для удаленного доступа к топологической информации, хранящейся в выше перечисленных коллекциях.