Коллектив российских исследователей из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совершил фундаментальный прорыв в материаловедении, предложив универсальный количественный метод предсказания структуры и свойств сложных кристаллов.
Ученые математически доказали, что изменение химического состава материала действует на его кристаллическую решетку точно так же, как нагрев или внешнее давление, что позволяет использовать строгие законы термодинамики для дизайна новых веществ с заданными характеристиками. Это открытие опубликовано в журнале Materials Horizons. Исследование было проведено при поддержке РНФ (грант №22-72-10022-П).
Создание новых материалов на протяжении многих десятилетий напоминало поиск сокровищ вслепую. Химики синтезировали соединения преимущественно методом проб и ошибок, опираясь на интуицию и весьма грубые эмпирические правила.
Одним из наиболее перспективных классов веществ являются перовскиты — самое обширное семейство кристаллов, чья внутренняя архитектура напоминает гибкий трехмерный каркас из связанных вершинами октаэдров.
До настоящего времени у ученых не было надежного и универсального инструмента, который позволил бы заранее вычислить, как именно деформируется каркас, если заменить одни атомы в решетке на другие.
Традиционно исследователи использовали так называемый фактор толерантности — геометрическое соотношение радиусов атомов. Для простых оксидов с преимущественно ионным типом химических связей это правило работало относительно неплохо, но когда дело доходило до химически сложных систем, где атомы связаны сложным обобществлением электронов (более ковалентные химические связи), старые формулы давали сбой. А ведь именно такие материалы, в частности галогениды и халькогениды, являются наиболее востребованными для создания солнечных батарей и оптоэлектронных устройств.
Именно эту проблему концептуального разрыва между химией и физикой твердого тела решили исследователи из лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Михаил Таланов и Екатерина Троценко, разработав универсальный математический язык, способный связать химический состав и конкретные геометрические искажения кристаллов.
Цель их работы заключалась в том, чтобы найти фундаментальные законы, связывающие природу химических связей с тем, как именно наклоняются октаэдры и смещаются все атомы в структуре перовскита. Для этого авторы обратились к феноменологической теории фазовых переходов Льва Ландау — краеугольному камню современной физики, который традиционно описывает макроскопическое поведение вещества исключительно под воздействием внешних факторов.
Согласно этой классической теории, при охлаждении или сжатии материалы могут менять свою внутреннюю симметрию, претерпевая фазовый переход, что описывается математическими величинами, известными как параметры порядка.
Известно, что именно эти параметры, отражающие коллективные структурные деформации решетки, а не упрощенные индивидуальные радиусы атомов, лучше описывают структуру и свойства материалов. Взаимосвязи между различными параметрами порядка и их эволюция под воздействием внешних воздействий в сложных системах определяются фундаментальными принципами симметрии.
Ученые из МФТИ впервые показали, как выполняются эти строгие правила при изменении внутренних параметров системы, а именно химического состава. Для демонстрации (доказательства) они применили математический аппарат теории групп, проанализировав 227 различных перовскитов, принадлежащих одной и той же группе симметрии.
Оказалось, что внедрение нового химического элемента создает внутри материала мощное напряжение — своеобразную невидимую пружину, которая заставляет решетку сжиматься и искажаться по тем же строгим законам физики, что и при падении температуры.
Самым важным и неожиданным открытием стала прямая математическая зависимость между химическим составом и степенью искажения кристалла, то есть удалось выявить сильную связь между химическими характеристиками связи и параметрами порядка.
Выяснилось, что угол наклона микроскопических октаэдров подобен шестеренке, которая напрямую связана со степенью ковалентности — готовностью атомов делиться электронами друг с другом. Чем крепче это «электронное рукопожатие», тем сильнее перекашивается внутренний каркас материала.
Этот принципиальный результат позволил на основе структурных параметров порядка разделить химически разные группы материалов, то есть аналитически решить задачу, которая ранее надежно не решалась даже с помощью машинного обучения.
Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, пояснил:
«Долгие годы теория Ландау оставалась классическим инструментом для описания того, как материал реагирует на внешние стимулы, в то время как химический состав считался жестким и неизменным.
Мы же показали, что химическое пространство можно и нужно рассматривать как набор полноценных термодинамических переменных. Если вы заменяете один атом на другой, решетка кристалла реагирует на это по тем же строгим законам симметрии, что и при изменении температуры среды. Это превращает дизайн материалов в точную науку».
Новая теоретическая модель учитывает все степени свободы искаженных кристаллических решеток, а также мельчайшие эффекты перераспределения электронной плотности между атомами.
Она позволяет целенаправленно настраивать параметры неорганических перовскитов для конструирования долговечных и высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, лишенных проблемы быстрой деградации, свойственной многим современным органическим аналогам.
Зная точную математическую формулу, связывающую характеристики химической связи и угол наклона октаэдров, исследователи могут с ювелирной точностью подбирать легирующие элементы, которые обеспечат необходимую степень искажения кристаллической решетки и связанные с этим изменения в оптических свойствах кристалла, что критически важно для повышения эффективности преобразования солнечной энергии.
Ученые планируют масштабировать методологию на другие классы кристаллов и разработать рациональную стратегию создания новых функциональных материалов.
___________________________________
Научная статья: Mikhail V. Talanov, Ekaterina G. Trotsenko; Chemical diversity encoded in symmetry: universal distortion rules and design principles for perovskites; Materials Horizons, 2026, 00, 1–13, https://doi.org/10.1039/d5mh02064f
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
