روش پیشرفته تعیین ساختار کریستال با داده‌های اشعه ایکس

روش جدید برای تعیین ساختار بلوری مواد چندفازی

یک تیم تحقیقاتی مشترک به رهبری یوکی کوبو و شیجی تسونه‌یوکی از دانشگاه توکیو، یک روش محاسباتی جدید توسعه داده‌اند که می‌تواند به طور مؤثری ساختارهای بلوری مواد چندفازی را تعیین کند. این مواد شامل پودرهایی هستند که بیش از یک نوع ساختار بلوری دارند. این روش می‌تواند ساختار را به طور مستقیم از الگوهای پراش اشعه ایکس پودر پیش‌بینی کند؛ الگوهایی که از عبور اشعه‌های ایکس از بلورهایی به اندازه ذرات قهوه فوری به دست می‌آید.

برخلاف روش‌های متداول، این رویکرد نیازی به استفاده از ثابت‌های شبکه ندارد و می‌تواند به داده‌های تجربی موجود که تا کنون قابل تحلیل نبودند، اعمال شود. بنابراین، این روش جدید یک دارایی حیاتی برای کشف فازهای جدید مواد و توسعه مواد جدید به شمار می‌آید. نتایج این تحقیق در مجله فیزیک شیمیایی منتشر شده است.

اهمیت تعیین ساختار بلوری

بسیاری از مواد می‌توانند چندین ساختار بلوری، یا “فاز”، حتی در یک حالت جامد داشته باشند. تعیین ساختارهای بلوری زیرین مواد برای درک خواص آن‌ها و تدوین استراتژی‌هایی برای توسعه مواد جدید ضروری است. با این حال، روش‌های متداول محاسبات از “ثابت‌های شبکه” استفاده می‌کنند که یک ویژگی از بلور مورد بررسی است. به عبارت دیگر، آن‌ها به دانش قبلی درباره بلور نیاز دارند تا بتوانند ساختار آن را تعیین کنند.

این موضوع باعث می‌شود که داده‌های تجربی موجود، زمانی که ثابت شبکه به دقت شناخته نشده باشد، به سختی قابل تحلیل باشند. بنابراین، ممکن است ساختارهای بلوری ناشناخته‌ای در داده‌های موجود پنهان شده باشند. ساختارهای بلوری دنیای واقعی بسیار متنوع هستند.

کشف رازهای عمیق طبیعت با روش‌های نوین

کوبو، نویسنده اول مقاله، می‌گوید: “آن‌ها یکی از عمیق‌ترین رازهای طبیعت هستند.” او ادامه می‌دهد: “ما فکر می‌کردیم که به نوعی می‌توانیم نگاهی به عمق رازهای طبیعت بیندازیم، با توسعه روش خود برای تعیین ساختارهای بلوری ناشناخته.” روش‌های متداول از تکنیک‌های مختلفی استفاده می‌کنند و هزینه‌های محاسباتی بالایی دارند. به همین دلیل، محققان تصمیم گرفتند روشی را توسعه دهند که بتواند پیش‌بینی‌ها را به‌طور مستقیم بر اساس داده‌های تجربی انجام دهد.

آن‌ها مدل خود را بر اساس دینامیک مولکولی ساختند و حرکت اتم‌ها را با محاسبه نیروهای بین اتم‌ها شبیه‌سازی کردند. سپس با افزودن داده‌های تجربی پراش پرتو ایکس، تناسب بین داده‌های تجربی و شبیه‌سازی‌ها را بهبود بخشیدند. کوبو می‌گوید: “ما باور نداشتیم که این روش امیدوارکننده باشد.” او ادامه می‌دهد: “وقتی محاسبات آزمایشی را انجام دادیم و دیدیم که این روش به‌طور قابل توجهی بهتر از آنچه که انتظار داشتیم عمل کرد، شگفت‌زده شدیم.”

محققان با استفاده از این روش بر روی مواد مورد تحقیق گسترده، اثربخشی آن را تأیید کردند. این روش به‌طور موفقیت‌آمیزی ساختارهای بلوری متمایز کربن (گرافیت و الماس) و دی‌اکسید سیلیکون (کوارتز کم، کریستوبالیت کم و کوئزیت) را بازتولید کرد. این روش به خوبی کار کرد. با این حال، کوبو به فکر مراحل بعدی چندگانه است. او می‌گوید: “ما قصد داریم این روش را بر روی داده‌های تجربی پراش پودر که به دلیل عدم موفقیت در تعیین ساختار بلااستفاده مانده‌اند، اعمال کنیم تا فازهای جدید مواد را کشف کنیم. علاوه بر این، هدف ما توسعه روش‌هایی است که تجربیات و شبیه‌سازی‌ها را ترکیب کنند تا نه تنها ساختارهای بلوری بلکه ساختارهای سطوح و مرزها را نیز تعیین کنیم.”