結晶構造予測

結晶構造予測（CSP ）は、固体の結晶構造を第一原理から計算することです。化合物の組成のみに基づいて化合物の結晶構造を予測する信頼性の高い方法は、1950年代以来物理科学の目標でした。^[1]使用される計算方法には、シミュレーテッドアニーリング、進化アルゴリズム、分散多重極解析、ランダムサンプリング、ベイスンホッピング、データマイニング、密度汎関数理論、分子力学などがあります。^[2]

単純なイオン性固体の結晶構造は、長い間、ライナス・ポーリングが 1929 年に初めて示したポーリングの法則に基づいて合理化されてきました。^[3]金属と半導体では、価電子濃度に関する別の法則があります。しかし、予測と合理化はまったく別のものです。最も一般的な「結晶構造予測」という用語は、その構成原子 (または分子結晶の場合は分子) の空間における最小エネルギー配置の探索を意味します。この問題には、組合せ論 (「探索位相空間」、実際には無機結晶で最も深刻) とエネルギー論 (または「安定性ランキング」、分子有機結晶で最も深刻) の 2 つの側面があります。複雑な非分子結晶 (「探索問題」が最も深刻) の場合、最近の大きな進歩は、マルトナック版のメタダイナミクス[ ^{4] [5]、}オガノフ-グラスの進化アルゴリズム USPEX ^[6] 、および第一原理ランダム探索の開発です。^[7]後者は、約100の自由度までのグローバル最適化問題を解決することができますが、メタダイナミクスのアプローチは、すべての構造変数を少数の「遅い」集合変数に減らすことです（多くの場合機能します）。

有機結晶構造の予測は学術および産業科学において重要であり、特に医薬品や顔料においては多形性の理解が有益です。^[8]分子性物質、特に有機化合物の結晶構造は、予測し、安定性の順にランク付けすることが非常に困難です。分子間相互作用は比較的弱く、方向性がなく、範囲が広いです。^[9]この結果、多形間の典型的な格子エネルギーと自由エネルギーの差は、多くの場合わずか数kJ/molで、10kJ/molを超えることはめったにありません。^[10]結晶構造予測法では、この小さなエネルギー範囲内に多くの可能性のある構造が見つかることがよくあります。これらの小さなエネルギー差は、過度の計算労力をかけずに確実に予測することが困難です。

2007 年以降、小さな有機分子の CSP は大きな進歩を遂げ、いくつかの異なる方法が有効であることが証明されました。^{[11] [12]最も広く議論されている方法は、最初にカスタマイズされた}MM力場を使用してすべての可能な結晶構造のエネルギーをランク付けし、最後に分散補正DFTステップを使用して、候補に挙がった各構造の格子エネルギーと安定性を推定します。 ^{[13]結晶構造を予測するための最近の取り組みは、振動解析または分子動力学を使用して有機結晶の温度とエントロピーの影響を含めることで結晶の}自由エネルギーを推定することに重点を置いています。^{[14] [15]}

次のコードは、化学組成と外部条件 (圧力、温度) に基づいて、安定構造と準安定構造を予測できます。

• AIRSS - 構成空間の確率的サンプリングに基づき、対称性、化学的、物理的制約を使用できる Ab Initio ランダム構造検索。バルク結晶、低次元材料、クラスター、点欠陥、およびインターフェースの研究に使用されています。GPL2 ライセンスでリリースされています。定期的に更新されます。
• CALYPSO - 粒子群最適化による結晶構造解析。粒子群最適化 (PSO) アルゴリズムを実装して結晶構造を識別/決定します。他のコードと同様に、構造の知識を使用して多機能材料 (超伝導、熱電、超硬、エネルギー材料など) を設計できます。学術研究者は無料で使用できます。定期的に更新されます。
• GASP - 第一原理から結晶、分子、原子クラスター、欠陥の安定相と準安定相の構造と組成を予測します。VASP、LAMMPS、MOPAC、Gulp、JDFTx などの他のエネルギー コードとインターフェイスできます。無料で使用でき、定期的に更新されます。
• GRACE - 特に製薬業界向けの分子結晶構造の予測用。分散補正密度汎関数理論に基づいています。現在開発中の商用ソフトウェアです。
• GULP - 原子結晶用のモンテカルロおよび遺伝的アルゴリズム。GULP は古典的な力場に基づいており、多くの種類の力場で動作します。学術研究者には無料です。定期的に更新されます。
• USPEX - 進化アルゴリズムとその他の方法 (ランダム サンプリング、進化メタダイナミクス、改良 PSO、可変セル NEB 法、相転移メカニズムの遷移パス サンプリング法) を含むマルチメソッド ソフトウェア。原子および分子結晶、バルク結晶、ナノ粒子、ポリマー、表面再構成、インターフェイスに使用でき、エネルギーやその他の物理的特性を最適化できます。特定の組成の構造を見つけるだけでなく、多成分可変組成システム内のすべての安定した組成を識別し、複数の特性を同時に最適化できます。学術研究者は無料で使用できます。4500 人以上の研究者が使用しています。定期的に更新されます。
• XtalOpt - 進化アルゴリズムを実装するオープンソース コード。
• FLAME - 最小値ホッピング法を実装するオープンソース コード。

• AR Oganov編 (2010)。結晶構造予測の最新手法。ベルリン：Wiley- VCH。ISBN 978-3-527-40939-6。