قام متخصصون من مختبر أبحاث النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات في جامعة جنوب الأورال الحكومية بتطوير قاعدة بيانات متخصصة حاصلة على براءة اختراع، تحمل اسم MDK-X («التشوهات الميكانيكية للبلورات في الكيمياء»).
تكمن فرادة هذه القاعدة في قدرتها على تخزين تنبؤات ليس فقط بالخصائص البنيوية، بل أيضًا بالخصائص الإلكترونية للبلورات العضوية والعضوية المعدنية، مما يفتح آفاقًا جديدة في علم المواد. صُممت قاعدة البيانات هذه لحل مشكلة عملية هامة: إجراء اختبارات مكثفة الموارد للخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد في بيئة افتراضية.
باستخدام حسابات الكيمياء الكمية، يُحاكي النظام التشوهات الميكانيكية للبلورات (الضغط الهيدروستاتيكي، الشد، إلخ) ويتنبأ بكيفية تغير مرونتها أو مقاومتها، وكيف يرتبط ذلك بالخصائص الإلكترونية للروابط الكيميائية، وما إلى ذلك. يُعد هذا الأمر ذا قيمة خاصة للتنبؤ بنتائج التجارب المكلفة والمعقدة، مثل تلك التي تستخدم سندانات الماس أو التجارب التي تتضمن الغوص في أعماق البحار (لتقييم مقاومة المواد للبيئات المختلفة).
«MDK-X – هو نظام لإجراء تجارب حاسوبية افتراضية. فهو يوفر الوقت والمال من خلال السماح لك باختبار الفرضيات أولاً في البرنامج، ثم إجراء تجارب معملية محددة الأهداف، كما توضح الدكتورة إيرينا يوشينا، الباحثة في مختبر النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات. لا يقتصر الهدف الرئيسي للمشروع على التنبؤ بخصائص المواد الجديدة فحسب، بل يشمل أيضاً تحديد خصائص جديدة غير متوقعة في المركبات الموجودة. على سبيل المثال، يمكن استخدامه لتقييم إمكانات بلورة معروفة كمادة بصرية غير خطية أو مستشعر».
بعض المواد هشة، وبعضها مرن، وبعضها يتمتع بمقاومة عالية للإجهاد الميكانيكي، بينما قد تُظهر مواد أخرى تغيرات في خصائصها الميكانيكية تبعًا للظروف المحيطة بها. تشمل هذه الظروف الضغط، ودرجة الحرارة، والتشعيع بالليزر. يمكن أن تؤدي هذه التغيرات في الخصائص الميكانيكية، من بين أمور أخرى، إلى ظهور خصائص جديدة للبلورة العضوية. على سبيل المثال، قد تبدأ البلورة في إظهار خصائص حسية استجابةً للمؤثر المُطبق عليها. يمكن اختبار كل هذا لاحقًا باستخدام بيانات MDK-X.
«توضح إيكاترينا بارتاشيفيتش الأستاذة الحاصلة على درجة الدكتوراه في العلوم الكيميائية ، مديرة المشروع، والباحثة الرئيسية في مختبر أبحاث النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات: تكمن فرادة قاعدة بيانات MDK-X في أنها تخزن حاليًا بيانات عن بنية البلورات. لاحقًا، ستشمل هذه البيانات أيضًا البوليمرات، حيث لا تُخزن فقط الخصائص المحسوبة للنماذج، بل تُخزن أيضًا الخصائص الإلكترونية للروابط الكيميائية. يمكن تطبيق نتائج التنبؤات المتعلقة بالقوة الكهربائية للمواد، والتي سنختبرها مبدئيًا على البنى البلورية، على الأنظمة غير المتبلورة، أي البوليمرية. ولهذا السبب، تُعدّ البيانات المتعلقة بالخصائص الإلكترونية للبلورات بالغة الأهمية بالنسبة لنا. فهذه حسابات كيميائية كمومية مرتبطة بالخصائص البنيوية للأنظمة. تُشكّل البلورات الخطوة الأولى فقط في بحثنا، إذ يكمن هدفنا في وصف وفهم طبيعة التئام المواد ذاتيًا بعد أنواع مختلفة من التشوه».
نمذجة كثافة الإلكترون للتجاويف الصغيرة في بلورة متعددة اليود والاتجاهات المتوقعة للحد الأدنى (السهم الأزرق) والحد الأقصى (السهم الأحمر) للانضغاطية الخطية لبلورة DBTQ-I3 عند 0 جيجا باسكال.
الأسطح المكانية المحسوبة لمعامل يونغ لبلورة DBTQ-I3 عند ضغط 0 جيجا باسكال (يسار) و2 جيجا باسكال (يمين)، متراكبة على أجزاء من بنية البلورة
التغير المكاني لمعامل يونغ لبلورة الإطار المعدني العضوي DUT-8 وجزء من بنيتها البلورية
«لكل فرد في فريق المشروع دورٌ هام. تُعدّ إيرينا يوشينا مصدر الإلهام الرئيسي لمشروع قاعدة بيانات MDK-X في مختبر أبحاث النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات. وتعمل زيليا خوسنوتدينوفا وألكسندر بيلياكوف (المدرسة العليا للإلكترونيات وعلوم الحاسوب) على تحويل أفكار العلماء إلى حلول تقنية معلومات. ويجري تطوير واجهة المستخدم بالتوازي مع محتوى قاعدة البيانات. ومن الجدير بالذكر أن واجهة قاعدة بيانات MDK-X مصممة خصيصًا «للكيميائيين وعلماء المواد». ويُعتبر الدكتور يوري ماتفيتشوك رائدًا في مفهوم خوارزمية الخصائص الميكانيكية للبلورات واتخاذ القرارات بشأنها. ويقترح أن يقوم فريق مختبر أبحاث النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات بدمج الخصائص الساكنة والديناميكية المحسوبة بذكاء، وتقييم كيفية تغير خصائص هذه الحالات المشوهة. تحتوي قاعدة البيانات حاليًا على بيانات حسابية محدّثة، وهي جزء من منصة متعددة الوظائف قيد التطوير. وفي المستقبل، يخطط فريق مختبر أبحاث «النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات» لدمج الذكاء الاصطناعي وأدوات التحليل الخوارزمي الدقيقة، وتوسيع نطاق فئات المواد المدروسة لتشمل البوليمرات».