Využitie programového balíku OLEX2 a CSD databázy pri výuke študentov v rámci predmetu Laboratórium difrakčných metód

Ján Moncoľ

Ústav anorganickej chémie, technológie a materialov, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Slovenská technická univerzita v Bratislave, Radlinského 9, 812 37 Bratislava, Slovenská Republika

Difrakčné metódy v poslednom období našli široké uplatnenie v rôznych oblastiach výskumu ako aj praxe. Z tohto dôvodu sa zvyšuje význam výuky difrakčných metód aj v rámci vysokoškolských kurzov.

V rámci inžinierskeho študijného programu na FCHPT STU - technická chémia so zameraním na anorganickú chémiu majú študenti dva povinne voliteľné predmety a názvami Difrakčné metódy v kryštalochémii a Laboratórium difrakčných metód. Tieto dva predmety sú navzájom prepojené, Predmet Difrakčné metódy v kryštalochémii je zameraný na teoretické základy a obsahom je: predmet kryštalochémia, kryštály a ich vlastnosti, štruktúrna kryštalografia, symetria kryštálov a kryštálových štruktúr, bodové grupy symetrie, priestorové grupy symetrie, stavebné častice a typy kryštálových štruktúr, izomorfia, polymorfia, polytypia, ideálny a reálny kryštál. Ďalej sa v rámci predmetu venuje: difrakcii na monokryštáli, rtg. štruktúrnej analýze, riešeniu a spresňovaniu kryštálových štruktúr, difrakcii na polykryštalických vzorkách, difrakčnému obrazu a jeho intepretácii, využitiu monokryštálových a práškových difrakčných metód, kryštalografickým databázam a ich využitiu. Predmet laboratórium difračných metód nadväzuje a prakticky rozvýja poznatky získané v rámci predmetu difrakčné metódy v kryštalochémii.

Na tieto dva predmety nadväzuje predmet Difrakčné metódy v kryštalochémii v rámci doktorandského štúdijného programu anorganická chémia. Okrem týchto predmetov sa v rámci FCHPT STU vyučujú aj ďalšie predmety ako je pokročilá rtg. štruktúrna kryštalografia v rámci v rámci doktorandského štúdijného programu chemická fyzika.

Laboratórium difračných metód sa vyučuje v dvoch blokoch rozdelených a) využitie CSD databázy [1] a základov riešenia kryštálových štruktúr monokryštálovou štruktúrnou analýzou, a b) základy a využitie práškových difrakčných metód.

V rámci prvého bloku študenti sa naučia pracovať s CSD databázou [1] a hlavne programom CONQUEST [2]. V rámci toho sa naučia hľadať štruktúry pomocou nakresleného fragmentu, ďalej využitím refcodu a ďalších spôsobov hľadania, vrátane kombinovaných hľadaní použitím logických kombinácii "AND", "NOT" a "OR".

V rámci práce si študenti vyhľadajú kryštálové štruktúry obsahujúce tetrajadrové komplexy Cu4OCl6L4. Komplexy obsahujúce tento fragment sú zaujímavé aj z dôvodu vyššej symetrie, pričom v databáze sú príklady kryštálových štruktúr vo všetkých siedmych kryštalografických sústavách. Tento súbor si ďalej študenti spracujú na vlastnom počítači v nainštalovanom programe MERCURY [3]. Študenti sa naučia pracovať s programom MERCURY, a využiť pri kreslení obrázkov, zobrazenie vodíkových väzieb, medzimolekulových interakcií a pod. Súbor kryštalových štruktúr s fragmentom Cu4OCl6L4. študenti využijú pri precvičení prvkov symetrie v module prvkov symetrie programu MERCURY [3].

Základy monokryštálovej štruktúrnej analýzy si študenti osvoja riešením známej kryštálovej štruktúry komplexu medi pomocou programového balíku OLEX2 [4]. Kryštálovú štruktúru študenti riešia pomocou programu Olex2.solve [5] a postupne dohľadavajú ďalšie atómy. Po dohľadaní všetkých atóm sa kryštálová štruktúra vypresní v programe Olex2.refine [5]. Po doriešeni kryštálovej štruktúry študenti vytvoria CIF súbor, vytvoria tabuľky výsledkov riešenia, a vnakreslia obrázky kryštálovej štruktúry. Po zvládnutí riešenia modelovej kryštálovej štruktúry, každý študent obdrží dáta na riešenie kryštálovej štruktúry ďalšej látky. Túto druhú kryštálovú štruktúru riešia študenti už samostatne a výsledkom je vyriešenie kryštálovej štruktúry, nakreslenie obrázku v programe OLEX2 [4] a vytvorenie tabuliek. Výsledky študenti spracujú formou protokolu.

V rámci tohto bloku študenti absolvujú aj exkurziu pri monokryštálovom difraktometri Stoe StadiVari, kde sa zúčasnia výberu monokryštálov, úprave vzorky a lepeniu vzorky. Ďalej študenti majú komentovanú ukážku merania monokryštálu, výber stratégie zberu dát, redukcia dát, až po samotné riešenie kryštálovej štruktúry.

V rámci druhého bloku sa študenti okrem iného naučia využívať praškovú difrakciu na overenie čistoty a porovnanie práškovej vzorky s kryštálovou štruktúrou získanou z monokryštálu. V rámci tohto procesu využíjú program MERCURY [3] na simulovanie práškového difrakčného záznamu.

V závere možno povedať, že študenti získajú základné skúsenosti práce s CSD databázou a možnosť využiť databázu pri samostatnej vedeckej práci v rámci prípravy diplomovej práce. Základy riešenia kryštálovej štruktúry umožní študentom chápať výsledky štruktúrnej analýzy. Študenti sa ďalej naučia rozumieť údajom v CIF súbore, pričom samostane si môžu vytvoriť tabuľky a nakresliť kryštálovú štruktúru.

[1] C. R. Groom, I. J. Bruno, M. P. Lighfoot & S. C. Ward, Acta Cryst., B72 (2016) 171–179.

[2] I. J. Bruno, J. C. Cole, P. R. Edgington, M. Kessler, C. F. Macrae, P. McCabe, J. Pearson & R. Taylor, Acta Cryst., B58 (2002) 389–397.

[3] C. F. Macrae, I. J. Bruno, J. A. Chisholm, P. R. Edgington, P. McCabe, E. Pidcock, L. Rodriquez-Monge, R. Taylor, J. van de Streek & A. P. Wood, J. Appl. Cryst., 41 (2008) 466–470.

[4] O. V. Dolomanov, L. J. Bourhis, R. J. Gildea, J. A. K. Howard & H. Puschmann, J. Appl. Cryst., 42 (2009) 339–341.

[5] L. J. Bourhis, O. V. Dolomanov, R. J. Gildea, J. A. K. Howard & H. Puschmann, Acta Cryst., A71 (2015) 59–75.