Experimental and computational materials chemistry

Celem wykładu jest zapoznanie z najnowszymi osiągnięciami w dziedzinie chemii materiałów. Badania materiałowe to dziedzina bardzo interdyscyplinarna, obejmująca syntezę, zaawansowane metody charakterystyki oraz modelowanie obliczeniowe.

Poruszane tematy obejmą chemię organicznych kryształów molekularnych oraz sieci metaloorganicznych (angl. metal-organic frameworks, MOFs), ze szczególnym uwzględnieniem ich różnorodności strukturalnej, zastosowań funkcjonalnych i zależności struktura-właściwości.

Zbadane zostaną metody charakteryzacji w celu określenia struktury i właściwości.

Na koniec omówione zostanie zastosowanie chemii obliczeniowej w projektowaniu materiałów, w tym wykorzystanie przewidywania struktury kryształów (angl. crystal structure prediction, CSP) i uczenia maszynowego.

Wykład ma na celu podkreślenie najnowszych osiągnięć w chemii materiałów, w tym aspektów syntezy w ciele stałym, charakteryzacji eksperymentalnej i modelowania obliczeniowego, przy jednoczesnym podkreśleniu rosnącej synergii badań eksperymentalnych i obliczeniowych w nowoczesnym projektowaniu materiałów.

Przedmiot będzie podzielony na dwie sekcje, skupiające się odpowiednio na eksperymentalnej oraz obliczeniowej .chemii materiałów.

Uwzględnione tematy:

1) Chemia eksperymentalna:

1.1) Molekularne materiały krystaliczne. Zależności pomiędzy upakowaniem kryształów a właściwościami fizykochemicznymi. Inżynieria kryształów jako metoda otrzymywania nowych materiałow krystalicznych o zadanych właściwościach. Omówione zostaną przykłady z badań przesiewowych postaci kryształów farmaceutycznych, materiałów fotoreaktywnych.

1.2) Sieci metaloorganiczne (angl. metal-organic frameworks, MOFs) jako materiały o różnorodnych zastosowaniach, n. p. w magazynowaniu i separacji gazów, zbieraniu wody, materiałach sensorycznych, fotokatalizie i materiałach energetycznych. Omówione zostaną przyczyny takiej różnorodności zastosowań funkcjonalnych oraz opisane zostaną metody projektowania MMOFów metodami izoretykularnymi.

1.3) Eksperymentalna charakterystyka materiałów: analiza struktury metodami dyfrakcyjnymi (dyfrakcja rentgenowska na monokryształach oraz proszkowa, dyfrakcja elektronów), NMR w ciele stałym, metody termiczne.

1.4) Mechanochemiczna synteza w stanie stałym jako wyłaniająca się alternatywa dla tradycyjnej syntezy z używaniem rozpuszczalników. Wykazano, że mechanochemia, jako zbiór metod prowadzenia reakcji pod wpływem siły mechanicznej, zapewnia szybkie i wysokowydajne przemiany przy zmniejszonych ilościach odpadów chemicznych i kosztach energii. Omówione zostaną główne rodzaje mechanochemii, w tym mielenie kulowe, wytłaczanie dwuślimakowe i mieszanie rezonansowo-akustyczne (angl. resonant acoustic mixing, RAM), a także opisane zostanie ich zastosowanie w syntezie kryształów molekularnych, MOFów i związków organicznych. Na koniec omówione zostanie zastosowanie metod charakterystyki fizycznej do monitorowania przebiegu reakcji mechanochemicznych oraz badania ich mechanizmów (mechanochemia in situ).

2) Chemia obliczeniowa:

2.1) Przewidywanie struktury kryształów (angl. crystal structure prediction, CSP) jako metoda obliczeniowego badania struktur, jakie może przyjąć dana cząsteczka(-y) lub kombinacja atomów. Omówione zostanie zastosowanie CSP w projektowaniu nowych farmaceutycznych form krystalicznych oraz MOFów.

2.2) Teoretyczne przewidywanie reaktywności ciała stałego, wykorzystanie metod obliczeniowych do projektowania eksperymentów mechanochemicznych i przewidywania, jakie reakcje mogą zachodzić w warunkach eksperymentalnych.

2.3) Spektroskopia obliczeniowa: modelowanie widm luminescencji w ciele stałym, widm Raman i NMR jako pomoc w interpretacji widm eksperymentalnych oraz wykorzystanie spektroskopii do monitorowania reakcji mechanochemicznych.

Ostatecznym celem jest wykazanie, że eksperymentalna i obliczeniowa chemia materiałów są ze sobą ściśle powiązane, a najlepsze możliwe wyniki w nowoczesnych badaniach materiałowych można osiągnąć, gdy oba podejścia zostaną zastosowane w synergii.

Gautam R. Desiraju, Jagadese J. Vittal, Arunachalam Ramanan (2011) “Crystal engineering : a textbook” World Scientific.

Jonathan W. Steed, Jerry L. Atwood (2000) “Supramolecular chemistry” John Wiley & Sons.

Joel Bernstein (2010) “Polymorphism in molecular crystals” Clarendon Press.

WG_02

WG_03

UW_02

KK_01

Zaliczenie na podstawie prezentacji przygotowanej przez studenta na zakończenie wykładu. Prezentacje należy wykonać w oparciu o publikacje związane z tematem wybranego przez studenta przedmiotu wykładu.