Про квантовую физику многие слышали благодаря научно-фантастическим книгам и фильмам. Но квантовая теория не оставила без внимания и другую классическую отрасль знания — химию. Чтобы разобраться в этой области, мы поговорили с доктором физико-математических наук, руководителем департамента химии МФТИ Александром Митиным.
C 70-х годов прошлого века теоретическая химия стала очень бурно развиваться. В том числе и одна из ее составляющих — квантовая химия. Связано это с тем, что атомы и молекулы являются квантовыми объектами, а наука, которая их описывает, — квантовая механика. Отсюда вытекает, что на основе уравнений квантовой механики можно получать информацию о свойствах конкретных атомных и молекулярных систем. А зная уравнения для молекул, которые вступают в те или иные взаимодействия, — изучать механизм химических реакций.
Поскольку уравнения квантовой механики, как правило, не допускают аналитических решений, все современные знания основаны на численных методах решения. При таких подходах размерность системы, к которой сводятся исходные уравнения, может достигать нескольких миллионов.
«Вычислительная сложность этих уравнений такова, что для получения качественного решения, то есть хорошей информации о молекулах, необходимо использовать мощные вычислительные ресурсы. Поэтому современные программы стали очень большими — они насчитывают больше полумиллиона строк исходного кода. Экстремальные расчеты молекулярных систем часто проводятся на многопроцессорных кластерах. Поэтому, нужно развивать как теорию, так и методы реализации», — рассказывает Александр Митин.
Квантовая химия является синтетической наукой на стыке химии, физики и математики: объекты исследования — химические, методы их исследования — физические, а алгоритмы этих методов — математические. Объектами изучения квантовой химии являются не только атомы и молекулы, но и наноструктуры. Последние вместе с пленками не являются твердыми телами, их правильнее относить к молекулярным системам.
От 2 до 1500
Наиболее точно сегодня рассчитана, конечно, молекула водорода Н2. Теоретические расчеты дают значения величин энергий, которые не уступают полученным экспериментально. Но с точки зрения задачи многих тел молекула Н2 не является многоэлектронной. У нее всего 2 электрона, а задача многих тел предполагает по крайней мере 3 объекта. В этом смысле более важной является молекула бериллия Be2. Она — первая, у которой экспериментально определен практически весь колебательный спектр для основного состояния.
«Лучший результат, который я получал для этой молекулы, давал среднеквадратичное отклонение колебательных уровней 0,4 см-1 при глубине ямы у Ве2 порядка 830 см-1. И эту величину можно еще уточнить. Ведь для молекулы Н2 точность определения энергетического уровня достигает тысячных долей обратного сантиметра. Но сегодня для такой точности нужно переходить к более сложным приближениям, чего может не позволить современный уровень вычислительной техники. Что касается больших молекул, не так давно я опубликовал статью, в которой был проведен расчет молекулы, состоящей примерно из 1,5 тысяч атомов», — делится Александр Митин.
Примером молекулы такого размера может быть инсулин. Это вещество очень важно для здоровья людей. Поэтому необходимо понимать, как происходят взаимодействия этой молекулы с организмом человека. По словам Александра Митина, ученые начинают понимать механизмы тех реакций, в которых она участвует. Это демонстрирует потенциальные возможности современной квантовой химии.
«Когда я только начинал свою научную карьеру, даже 3–4 атома были сложными молекулами. Сейчас системы с 1,5 тысячи атомов уже становятся доступными для расчетов. И я понимаю, какие алгоритмы надо использовать, чтобы можно было рассчитывать молекулы из 5 и более тысяч атомов. Это уже размер небольших белковых структур», — продолжает Александр Васильевич.
Проводя такие расчеты, можно лучше понять исследуемые процессы, что дополняет экспериментальные работы. Ведь очень часто экспериментально далеко не все можно определить. И возможность предварительно рассчитать объект изучения дает более глубокое понимание его сущности.
Первым делом моделируй
Сегодня в мире ежегодно синтезируется несколько сотен тысяч абсолютно новых веществ. Описываются их физико-химические свойства. Но по большей части полученные вещества не находят применения. Как же происходит поиск новых веществ? Синтез вещества является ключевой, но сложной и очень дорогой фазой этого процесса. Поэтому сначала идут квантовые расчеты возможных кандидатов для конкретного применения. Затем отбираются наиболее подходящие исходя из рассчитанных свойств кандидаты. И только потом они синтезируются. Тем самым ускоряется процесс поиска новых веществ.
Важны такие расчеты и для описания химических реакций, то есть для понимания их кинетики. В случае больших молекул знание электронной структуры позволяет определить их активные центры.
«Сейчас у меня в работе молекула инсулина, которая интересна и важна как для биологов, так и для химиков. Я хочу определить ее активные центры, то есть понять, какими частями она может присоединяться к другим молекулам, — говорит Александр Митин. — Понятно, что какая-то маленькая молекула может присоединиться к ней не в любом месте, а, согласно квантовой механике, только к последним заполненным электронами уровням энергий. А соответствующая молекулярная орбиталь не обволакивает всю молекулу, она локализована в каких-то ее частях. Те области, где она будет располагаться, и будут являться активными центрами. Определив их, мы можем понять, как инсулин будет взаимодействовать с другими молекулами».
Среди направлений развития теоретических химических методов можно выделить изучение трансурановых элементов. Эксперименты с трансурановыми химическими соединениями делать крайне сложно. Квантовые расчеты проводить заметно проще. Они дают информацию о соединениях и возможных химических реакциях с участием этих элементов. По словам Александра Митина еще до того, как синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева, он с коллегами смог рассчитать физико-химические свойства этого атома и его двухатомной молекулы. Экспериментально определить их не представляется возможным, поскольку ядра столь массивных элементов являются короткоживущими. Но располагать элементы в таблице нужно, а для этого необходимо знать их свойства.
«Новые теоретические построения и модели дают новый взгляд на физические объекты. Они позволяют ставить новые эксперименты, поскольку исследуемый объект всегда видится через призму модели. Квантово-механические расчеты часто позволяют уточнять эти модели и оценивать свойства исследуемых объектов до начала эксперимента. В этом их сила. Например, можно заранее оценить физико-химические свойства молекулы, которую планируется исследовать или синтезировать», — считает Александр Митин.
5
