Активная работа по реализации проекта привела ученых к созданию нового направления – цифровая химия, которая связана с использованием методов компьютерного моделирования для решения химических задач: поиска соединений с прогнозируемыми свойствами, анализа кинетических схем многостадийных промышленных реакций, оценки сложности строения молекул.
– Наши исследования проводятся на стыке двух, казалось бы, непохожих дисциплин – химии и математики. Можно с уверенностью сказать, что химики УФИЦ РАН могут синтезировать любое химическое соединение. Поэтому возникают естественные вопросы: Что конкретно синтезировать? Как выглядит химическая структура, обладающая свойствами, которые необходимы для решения той или иной материаловедческой или технологической задачи? И тут на помощь приходят компьютеры и математические алгоритмы, способные просеивать огромное количество структур, делая предварительную оценку их молекулярных свойств и выдавая рекомендации химикам, - рассказывает заведующий лабораторией Института нефтехимии и катализа УФИЦ РАН, доктор химических наук Денис Шамилевич Сабиров.
Действительно, в лаборатории проводятся фундаментальные исследования, направленные на решение концептуальных вопросов цифровой химии. Одним из них является цифровое описание ансамблей химических частиц.
– Вопрос об «оцифровке» отдельно взятой молекулы в принципе давно решён. Чего не скажешь об описании молекулярных ансамблей – коллективов частиц. Для чего это нужно? Химики на заводе или в лаборатории работают не с отдельными молекулами, и химические реакции в колбе – это фактически превращение одного большого коллектива частиц в другой. От правильности цифрового описания молекулярных ансамблей зависит правильность цифрового описания химических процессов. Это, в свою очередь, даёт возможность корректно решать с помощью компьютера задачи оптимизации химических процессов, поиска наилучших стратегий синтеза и т.д.
В лаборатории математической химии ИНК УФИЦ РАН было найдено, что структурные индексы молекулярных ансамблей складываются не только из значений индексов молекул, но и включают дополнительное слагаемое, названное корпоративной энтропией, которая возникает при объединении молекул в ансамбль. Эта величина не зависит от строения молекул и определяется только их размером (числом атомов в молекуле).
– Использование развиваемого подхода после небольших математических преобразований позволяет не только рассчитывать на получение цифровых оценок стадий химического процесса, но и оценивать вклады в химическую реакцию, связанные только с изменением строения молекул или только с изменением их размеров.
Уже сейчас системы автоматического синтеза не кажутся фантастикой из далёкого будущего. В таких системах компьютер сам выбирает оптимальный способ синтеза нужного химического соединения. Для этого разрабатываются алгоритмы сравнения эффективности химических реакций и синтетических процедур. В развитие как раз таких алгоритмов вносит вклад открытие учёных Уфимского федерального исследовательского центра РАН.
– Исследования в рамках этого направления, как правило, предполагают проведение высокопроизводительных вычислений, для которых в лаборатории существует мощный вычислительных кластер. Это позволяет нам решать разнообразные химические задачи – такие как поиск соединений для органических солнечных батарей, оптимизация процессов крекинга нефтепродуктов, биохимическая цифровая паспортизация растений. Но если бы дело ограничивалось только этим, можно было бы говорить только об успешном применении цифровых технологий в химии, но не о новом направлении науки, - добавляет Денис Шамилевич.
Справочно:
Денис Шамилевич Сабиров – самый молодойвысокоцитируемый учёныйУфимского федерального исследовательского центра РАН (индекс ХиршаWeb of Science – 20). Возглавил лабораторию математической химии Института нефтехимии и катализа УФИЦ РАН в 2018 году после защиты докторской диссертации на химическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Исследования в области цифровой и математической химии проводит совместно с ведущими российскими и зарубежными научными центрами (Институт элементоорганических соединений РАН;NanoCarbon Research Institute, Япония;Actinium Chemical Research Institute, Италия; Technion, Израиль).
