Supramol – program pro řešení struktur v přímém prostoru

B. Koudelka

KChFO MFF UK, Praha

Program Supramol vyvinutý v rámci disertační práce na KchFO MFF UK, je určen k hledání struktur krystalů s malým počtem atomů v základní buňce (do cca 100), které se vykazují jistou formu neuspořádanosti, a nelze je tak vyřešit přímo z difrakce. To se týká zvláště studovaných interkalátů.

Program kombinuje molekulární modelování s analýzou RTG-diftaktogramů v přímém prostoru. Snaží se využít co nejvíce informací z difraktogramu, který je díky neuspořádanosti nekvalitní a tím i často nepoužitelný jako celek v klasických metodách. Supramol vyextrahuje z difraktogramu integrální intenzity zvolených reflexí, a ty následně porovnává s hodnotami vypočtenými na modelech krystalu.

Na rozdíl od většiny používaných programů, které hledají energetické minimum stochastickými metodami používá Supramol deterministický přístup. Model krystalu sestavíme ze známých fragmentů a molekul jejichž vzájemná poloha a orientace definuje stupně volnosti prostoru možných stavů krystalu. Tento prostor stavů rovnoměrně pokryjeme mříží základních modelů, ze kterých pak vybíráme ty, které splňují požadované vlastnosti.

První takovou vlastností je, aby se jednotlivé molekuly nepřekrývaly, další vlastností jsou hodnoty integrálních intenzit vybraných reflexí RTG-difraktogramu. Pro tyto účely obsahuje Supramol speciální subrutiny, tzv. „primární selektory“, které umožňují otestovat za sekundu cca. 1.000.000 modelů mříže. Pro výpočty v rozumném čase může tedy mříž obsahovat až stovky miliard základních modelů tj. například 12 stupňů volnosti po 10 krocích.

Snížíme-li tímto způsobem počet použitelných základních modelů na desítky tisíc, je možné pokračovat sofistikovanějšími sekundární selektory a dokonce minimalizací energie v rámci jednoho oka mříže modelů.

Výsledná množina modelů se zápornou energií a vhodnou shodou s vybranými integrálními intenzitami tak popisuje možnou neuspořádanost struktury. Tuto neuspořádanost dokáže Supramol názorně popsat zvláště ve dvou následujících případech. Neuspořádanost způsobenou jistou volností v pohybu vrstev (u vrstevnatých struktur) a neuspořádanost danou symetrií hostitelské vrstvy interkalátu.

S použitím Supramolu bylo již vyřešeno několik struktur interkalátů fosforečnanu vanadylu [1,2]. Detaily a další vyřešené struktury, jež zatím nebyly publikovány najdete přímo v disertační práci [3].

Program je vytvořen v jazyce C++, zatím jako konzolová aplikace. Uvažujeme o naprogramování GUI v systému wxwindows, který je dostupný na všech běžně používaných operačních systémech. Program je kompatibilní se softwarem Cerius a Molecular studio firmy MSI a rozšiřuje tak jeho možnosti v dané oblasti. Grafické výstupy z programu, jako je náhled neuspořádanosti nebo náhled struktury jsou ve formátu Postscript Level III, který umožňuje spojité přechody barev a tak maximální kvalitu zobrazovaných koulí atomů, při minimální velikosti *.ps souboru, která je tak jen několik desítek kilobajtů.

Literatura

1.Koudelka B, Čapková P (2002) J MOL MODEL 8: (5) 184-190

2.Beneš L, Zíma V, Melanová K, Trchová M, Čapková P, Koudelka B, Matějka P (2002) CHEM MATER 14: (6) 2788-2795

3.Koudelka B,Combination of molecular simulations and X-ray diffraction in structure analysis of intercalates (2003) Knihovna MFF UK Praha, (časem in na www stránkách KchFO MFF UK)