Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Приглашенный ученый Болдырев Александр Иванович США
Номер договора
14.Y26.31.0016
Период реализации проекта
2017-2019

По данным на 08.06.2020

20
Количество специалистов
106
научных публикаций
Общая информация

Название проекта: Теоретическое моделирование полифункциональных элементоорганических и координационных соединений и материалов на их основе с регулируемыми оптическими, электрическими и магнитными свойствами

Приоритет СНТР: а



Цели и задачи

Направления исследований: Изучение новых аллотропных форм бора, углерода, алюминия и кремния

Цель проекта: Организация современной, хорошо оснащенной лаборатории квантовой химии в Южном федеральном университете, на базе которой проводятся квантово-химические исследования и молекулярный дизайн новых одно-, двух- и трехмерных молекулярных систем с регулируемыми электрическими и магнитными свойствами для нужд молекулярной электроники, спинтроники и различных областей техники

Практическое значение исследования

1. С помощью компьютерного моделирования с наложением периодических граничных условий исследовано геометрическое и электронное строение нового аллотропа алюминия – кристаллического супертетраэдрического алюминия, построенного на основе решетки алмаза, в которой атомы углерода заменены на тетраэдры Al4. Расчеты электронной зонной структуры супертетраэдрического алюминия показали возможность проявления исследуемым материалом хорошей электропроводимости и пластичности, что позволяет отнести его к полуметаллам. Предсказанный фононный спектр свидетельствует о динамической устойчивости данной супертетраэдрической структуры алюминия. Супертераэдрический алюминий, согласно расчетам, имеет плотность, равную 0.61 г/см3, что значительно ниже плотности воды и плотности чистого кристаллического алюминия 2.7 г/см3. Рассчитанные значения постоянных Гука и модуля сдвига данного материала свидетельствуют о его высокой пластичности. Статья с результатами вызвала большой резонанс в мире.

2. Изучена новая форма супертетраэдрического алюминия, построенного на основе кристаллической решётки алмаза, в которой пары соседних атомов углерода заменены на фрагмент тетраэдрического алюминия соединенного ковалентной связью с атомом Х Al4-X (X=B, C, Al, Si). Кристаллические структуры cF-Al4C и cF-Al4Si представляют собой метастабильные фазы этих веществ, являются непрямозонными полупроводниками, обладают достаточно высокой твердостью и пластичностью. Кристаллические структуры cF-Al4B и cF-Al4Al являются динамически нестабильными и с практической точки зрения не представляют интереса. Результаты опубликованы.

3. С помощью квантовохимических расчетов в приближении твердого тела была предсказана новая аллотропная форма галлия, сконструированная на основе кристаллической решетки алмаза, в которой каждый атом углерода заменен на тетраэдр Ga4. Новый материал представляет собой проводник, имеет низкую плотность (1.74 г/см3), а также высокую пластичность, его температура плавления около 273 К. Материал, полученный на основе этой аллотропной формы, может найти применение как металл низкой плотности. Результаты опубликованы.

4. С помощью квантовохимических расчетов в приближении твердого тела был смоделирован новый ферромагнитный супероктаэдрический двумерный борный материал. Результаты расчета фононного спектра и молекулярной динамики показали, что монослой 2D-B6 является динамически и термически устойчивым. Кроме того, он обладает существенными магнитными свойствами и имеет металлическую электронную структуру. Предсказанный материал является вторым примером магнитного 2D-листа и первым примером ферромагнитного металлического 2D-листа, сформированного из чистого бора. Таким образом, этот материал представляет большой интерес для современного материаловедения, и его термическая и механическая стабильность обещают широкий спектр применений. Результаты опубликованы.

5. С помощью компьютерного моделирования с наложением периодических граничных условий показано, что новый материал дифторофосфоран должен иметь плоскую структуру, в которой атомы фтора расположены над и под плоскостью атомов фосфора. Такая структура динамически стабильна и представляет собой полупроводник, а также имеет перспективы использования в наноэлектронике. Результаты опубликованы.

6. Квантовохимическими методами проведено моделирование ряда неметаллических двумерных материалов с неспаренными р электронами, среди которых был обнаружен новый двумерный материал состава SiN с ферромагнитными свойствами. Расчеты фононного спектра и молекулярной динамики показали, что монослой 2D-SiN является динамически и термически стабильным, что делает его потенциальным кандидатом для экспериментальной реализации. Результаты опубликованы.

7. Проведены квантово-химические расчеты протяженных неметаллических цепочек с общей формулой PnX3n + 2 (X = F, Cl) и соответствующих им бесконечных цепочек –(PX3–PX3)–. Показано, что все высокосимметричные структуры PnX3n + 2 (n = 2–9) отвечают энергетическим минимумам, при этом большей стабильностью обладают структуры, в которых связь P–X находится в экваториальном положении. Вращение вокруг связи P–P для фторпроизводных является низкобарьерным процессом, в случае хлорпроизводных сопровождается диссоциацией молекулы. Расчеты с наложением периодических граничных условий, моделирующие бесконечную линейную цепочку –(PX3–PX3)–, показали, что обе исследованные системы динамически стабильны и являются широкозонными полупроводниками с прямым переходом. Результаты опубликованы.

8. По результатам расчетов предложен новый тип катализатора MgO с периодическими дефектами на поверхности, которые проявляют высокую каталитическую активность. Показано, что оксид магния с периодическими дефектами на поверхности обладает дважды занятыми многоцентровыми связями внутри каждого дефекта, в котором отсутствует атом кислорода. Оказалось, что эти структуры устойчивы до 1500 К, что открывает возможность их применения даже в экстремальных условиях. В данной работе были рассмотрены как множественные, так и редкие дефекты, которые являются потенциальными катализаторами с одним дефектом. Результаты опубликованы.

9. Методом теории функционала плотности проведено изучение строения и свойств биядерных координационных соединений переходных металлов с о-хиноновыми лигандами на основе полиаценов. Показано, что увеличение числа конденсированных колец приводит к стабилизации бирадикалоидного состояния аценов и переключению характера обменных взаимодействий между семихиноновыми формами редокс-активных фрагментов с антиферромагнитного на ферромагнитный. Предложенные аддукты дикетонатов кобальта(II) с аценами, функционализированными хиноновыми фрагментами, способны претерпевать одно- и двухступенчатые спиновые переходы, вызываемые внутримолекулярными переносами электронов между ионами металла и лигандной системой. Предсказываемые расчетами необычные магнитные свойства, обусловленные миграцией парамагнитных центров, позволяют рассматривать данные комплексы в качестве перспективных кандидатов для разработки устройств молекулярной электроники и спинтроники. Результаты опубликованы.

10. Методами теории функционала плотности изучена серия новых магнитно-активных биядерных дикетонатов кобальта со смешанными лигандами, содержащих аценовые линкеры. Результаты опубликованы.

11. Результаты компьютерного моделирования показали перспективность предложенных аддуктов дикетонатов кобальта(II) с полициклическими триангуленовыми углеводородами, функционализированными о-бензохиноновыми группами. Путем рационального выбора заместителей в терминальных лигандах выявлены молекулы, способные претерпевать термически-инициированные валентно-таутомерные перегруппировки. Ожидаемые превращения будут сопровождаться изменением магнитных свойств в широком диапазоне, что позволяет рассматривать изученные смешаннолигандные комплексы в качестве молекулярных переключателей и спиновых кубитов. Включение гетероатомов в полициклический триангуленовый фрагмент приводит к увеличению разности энергий между основным (низкоспиновым) и высокоспиновым состоянием моноядерных металлокомплексов, что позволяет ожидать спиновые переходы только в комплексах с гексафторацетилацетонатами кобальта. Результаты опубликованы.

12. Методами теории функционала плотности изучены структуры и устойчивость нового семейства металлокарбонильных Cr(CO)5, Fe(CO)4, Ni(CO)3, Ti(CO)4, Ni(CO)2, циклооктатетраеновых и циклодекапентаеновых производных. Все производные циклооктатетраена, за исключением производного Ti(CO)4, имеют плоскую структуру и характеризуются выраженной антиароматичностью центрального цикла. В случае циклопентадекаеновых комплексов плоские структуры формируются только для производных Fe(CO)4 и Ni(CO)3. Стабилизация нестандартных плоских форм обусловлена стерически-вынужденным уплощением центрального цикла и его π-взаимодействием с металлкарбонильными фрагментами. Результаты опубликованы.

13. Посредством выполнения квантово-химического моделирования строения и магнитных свойств серии нейтральных триангуленовых полициклических ароматических углеводородов, функционализированных различными радикальными группами, установлена зависимость характера и силы обменных взаимодействий между парамагнитными центрами от размера триангуленового фрагмента, присутствия в нем гетероатомов, типа радикальных заместителей и их пространственного расположения. Предложены молекулы, имеющие высокоспиновое основное электронное состояние и проявляющие ферромагнитные обменные взаимодействия, которые позволяют рассматривать такие системы в качестве перспективных строительных блоков для устройств органической спинтроники. Результаты опубликованы

14. Проведено квантово-химическое изучение возможности стабилизации ароматической молекулы N3P3 с плоской шестиугольной структурой. Этот изомер характеризуется термодинамической неустойчивостью к диссоциации на ван-дер-ваальсовый комплекс искаженного тетраэдра NP3 и молекулы N2, но является кинетически устойчивым, характеризующимся высокими энергетическими барьерами возможных изомеризаций, что позволяет ожидать его существование в термических условиях. Результаты опубликованы.

15. Опубликован обзор, посвященный концепции σ-ароматичности и σ-антиароматичности. Рассмотрены примеры кластеров, молекул и твердых тел, в которых эта концепция помогает понять химическую связь. Показано, что для σ-ароматичности и σ-антиароматичности принципы связывания аналогичны таковым для π-ароматичности и π-антиароматичности.

16. Впервые синтетически был получен и полностью охарактеризован новый комплекс [K([2.2.2]crypt)]4[In8Bi13], состоящий из двух кластеров: [Bi@In8Bi12]3- Th-симметрии и [Bi@In8Bi12]5- Cs-симметрии. Это самые большие In/Bi кластеры из известных на настоящий момент. Квантовохимическими расчетами (AdNDP, ELF, NICS) показано, что в кластерах реализуется сферическая ароматичность, что объясняет высокую симметричность, стабильность и магнитные свойства этих соединений. Результаты опубликованы.


Образование и переподготовка кадров:

  • Создан учебный модуль «Современное состояние теории химической связи», являющийся частью профессиональной дисциплины «Методы синтеза материалов» базового учебного плана магистерской программы «Полифункциональные материалы».
  • Проведена стажировка студентов, аспирантов и сотрудников по курсам «Расширенное администрирование SUSE LinuxEnterpriseServer 12», «Визуализация данных в MicrosoftExcel 2013 и MicrosoftPowerPoint 2013».

  • Сотрудником пройдено обучение по курсу суперкомпьютерным технологиям по направлению "Квантовая информатика" в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

  • Сотрудником пройдено обучение по курсу “Теоретические и практические вопросы проведения квантово-химических исследований при помощи программного продукта Gaussian 16”, проведенного компанией Gaussian, Inc. в Ульмском университете (Германия).


Сотрудничество:

Университет Эмори (США), Флоридский международный университет (США): совместные исследования

Скрыть Показать полностью
Getmanskii I. V., Koval V. V., Minyaev R. M., Boldyrev A. I., Minkin V. I
Supertetrahedral aluminum − a new allotropic ultralight crystalline form of aluminum // J. Phys. Chem. C. – 2017. – Vol. 121. – P. 22187−22190. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 4.309.
Popov I. A., Starikova A. A., Steglenko D. V., Boldyrev A. I.
Usefulness of the σ-aromaticity and σ-antiaromaticity concepts for clusters and solid-state compounds // Chem. Eur. J. – 2018. – Vol. 24. – P. 292– 305. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 5.16.
Starikova A. A., Boldyreva N. M., Minyaev R. M., Boldyrev A. I., Minkin V. I.
Computational assessment of an elusive aromatic N3P3 molecule // ASC Omega. − 2018. – Vol. 3. − № 1. – P. 286−291. Quartile: Q2, Impact Factor2018: 2.584.
Steglenko D. V., Minyaev R. M., Minkin V. I., Boldyrev A. I.
Difluorophosphorane – flattened phosphorene through difluorination // J. Phys. Chem. Lett. – 2018. – Vol. 9. – № 24. – P. 6963−6966. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 7.329.
Minkin V. I., Starikov A. G., Starikova A. A., Minyaev R. M., Boldyrev A. I.
The structurally variable network of spin couplings and migrating paramagnetic centers in the binuclear o-quinone CoII complexes with the biradical acene linkers: a computational DFT study // Dalton Trans. – 2018. – Vol. 47. – № 44. – P. 15948–15956. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 4.052.
Gribanova T. N., Minyaev R. M., Minkin V. I., Boldyrev A. I.
Metalcarbonyl analogues of annealed cyclooctatetraene and cyclodecapentaene derivatives with a planar core cycle: a quantum chemical study // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2018. – Vol. 20. – P. 27830–27837. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 3.567.
Getmanskii I. V., Koval V. V., Boldyrev A. I., Minyaev R. M., Minkin V. I.
Computationally designed crystal structures of the supertetrahedral Al4X (X=B, C, Al, Si) solids // J. Phys. Chem. A. – 2019. – Vol. 123. – № 1. – P. 267–271. Quartile: Q2, Impact Factor2018: 2.641.
Getmanskii I. V., Koval V. V., Boldyrev A. I., Minyaev R. M., Minkin V. I.
Molecular dynamic study of a new metastable allotropic crystalline form of gallium- supertetrahedral gallium // J. Comput. Chem. –2019. – Vol. 40. – № 20. – P. 1861–1865. Quartile: Q2, Impact Factor2018: 3.224.
Tkachenko N. V., Steglenko D. V., Fedik N. S., Boldyreva N. M., Minyaev R. M., Minkin V. I., Boldyrev A. I.
Superoctahedral two-dimensional boron with peculiar magnetic properties // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2019. – Vol. 21. – № 36. – P. 19764–19771. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 3.567.
Tkachenko N. V., Zhang X.-W., Qiao L., Shu C.-C., Steglenko D. V., Muñoz-Castro A., Sun Zh.-M., Boldyrev A. I.
Spherical aromaticity of all-metal [Bi@In8Bi12]3-/5- clusters // Chem. Eur. J. – 2020. – Vol. 26. – № 9. – P. 2073-2079. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 5.16.
Minkin V. I., Starikov A. G., Starikova A. A., Gapurenko O. A., Minyaev R. M., Boldyrev A. I.
Electronic structure and magnetic properties of the triangular nanographenes with radical substituents: a DFT study // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2020. – Vol. 22. – № 3. – P. ‏1288-1298. Quartile: Q1, Impact Factor2018: 3.567.
Фотоальбомы
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория колебательной спектроскопии и химической визуализации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук"

Химия

Новосибирск

Казарян Сергей Гургенович

Великобритания

2019-2021

Лаборатория физики поверхности и катализа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова"

Химия

Владикавказ

Заера Франциско

США

2019-2021

Лаборатория химического дизайна новых многофункциональных материалов

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Химия

Екатеринбург

Миньон Антуан Бернар Поль

Франция

2019-2021