高能材料的力场优化

理解分子晶体及其计算研究：

分子晶体，如三硝基甲苯、扑热息痛或咖啡因，是由单个分子通过非键相互作用结合而成的。将每个分子内的原子结合在一起的分子内键比将分子结合在一起的分子间键强得多。结合这些分子的内聚力可能包括范德华力、偶极子-偶极子相互作用、π-π相互作用和氢键。此外，它们的性能与其结构密切相关，因此准确预测晶体结构和性能是各个行业的关键挑战。研究人员通过研究无机和有机晶体来开发创新药物和高能材料。

 

此外，计算化学已经成为一种有价值的工具，使这些化合物的快速研究成为可能。通过使用数学模型和方程，可以在实验室合成之前预测各种分子性质和特征，从而最大限度地降低合成相关的成本、时间和风险。晶体预测，包括晶格能量预测、密度计算和多态预测被广泛研究，特别是在制药和能源行业。

 

力场5,6(或原子间势)是用于研究晶体结构等经典模拟的特别有趣的计算模型。多年来，研究人员开发了几种力场来准确预测它们的性质。此外，还进行了比较研究，通过不同的协议来评估这些力场。Robinson等人6对324种用于计算分子晶体晶格能的力场协议进行了广泛的比较。本研究使用Materials Studio®收集了几个著名的力场，包括DREIDING，Universal，CVFF，PCFF和COMPASS。在分析了剑桥结构数据库中的235个晶体后，他们强调了COMPASS(凝聚态优化分子势用于原子模拟研究)力场在一般有机分子晶体的晶格能量计算中的有效性能。研究表明，基于该力场的几种协议均取得了较好的性能和较低的标准偏差。

 

COMPASSIII用于分子晶体：

为了进一步改进COMPASS，剑桥材料工作室团队开发了compasIII，这是COMPASS力场的离子液体和其他材料的扩展版本，最初设计用于凝聚态性质预测，重点是材料。这是第一个从头算力场，能够准确和同时预测广泛分子的性质。该力场的结构很大程度上继承自一致力场(CFF)。新版本的compassion III引入了27种新类型，涵盖了广泛的材料，具有自己的类型规则和价相互作用。

 

为了评估compassion预测分子晶体晶格能量和密度的准确性，我们使用Materials Studio 2024的Forcite模块对Robinson等人使用的235种结构进行了计算。为了自动化计算并使分析更高效，使用了Pipeline Pilot，特别是材料收集，允许对所有所需分子连续运行模拟。利用剑桥结构数据库的实验数据计算Spearman相关系数、r平方值和均方根误差(RMSE)。表1所示的结果表明，与Materials Studio中可用的各种力场相比，compassionIII产生了更好的结果。

 

使用compassion对包含821个分子的更大数据集进行了晶格能量和密度计算，其中包括Robinson等人使用的结构6。密度是分子晶体的另一个重要特性，用compassion可以准确预测，r平方值为0.97，如表3所示。

 

虽然晶格能的结果很有希望，如上表所示，但仍有进一步增强的潜力。为了加强这些结果，鉴定了晶格能相对误差超过10%的化合物的异常值，并进行了进一步的研究。有问题的化合物主要是芳香杂环上具有氨基和硝基功能的化合物。

 

增强compassion参数的化合物研究：

为了改善compassion力场，研究了有问题的化合物，特别是在芳香杂环上具有氨基和硝基功能的化合物。其中，有一些复杂的结构，如2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物，也称为LLM-105。该分子具有吡嗪-n-氧化物结构，具有两个氨基和两个硝基取代基，具有高能量。这种材料非常吸引人，因为它具有很强的热稳定性，对摩擦、冲击和冲击不敏感。研究了这种分子，以及含有类似化学官能团的更简单的分子。特别是，利用静电势(ESP)方法，用密度泛函理论(DFT)重新计算了DMol3中的部分电荷，并将其纳入了COMPASSIII。

 

对于大多数晶格能量相对误差较大的结构，通过调整所使用的部分电荷，可以将误差降低到10%以下，如图3所示。然而，调整装药可以显著降低误差，但LLM-105的复杂性较大，需要进一步改进。事实上，LLM-105的分子晶体具有明显的氢键网络，如图4所示，这可能会影响晶格能量和密度的计算，需要进一步研究。

总结：

准确预测分子晶体的性质是一项重大挑战。如前所述，在这些化合物中，compassion力场优于其他已知的力场。然而，必须不断优化和审查力场，以确保准确的参数化和仿真。通过不断改进compassion，可以实现对各种化合物的精确预测。

 

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