Российские ученые ускорили моделирование молекул в мощных электрических полях

Фото из открытых источников

Российские физики предложили усовершенствованный способ анализа поведения сложных молекул в сильных электрических полях, что может значительно ускорить и упростить исследования в области химии и фармацевтики. Как сообщили в Центре научной коммуникации МФТИ, математическая модель, разработанная учеными, позволяет с высокой точностью моделировать процессы ионизации молекул — ключевой этап, который ранее был крайне трудоемким и затратным по вычислительным ресурсам, пишет ТАСС.

Модель была создана Олегом Толстихиным и Кириллом Базаровым, исследователями Московского физико-технического института. Основой подхода стала функция Грина — математический инструмент, который помогает отслеживать поведение электронов в поле и рассчитывать их траектории с минимальными затратами ресурсов. Благодаря этой функции стало возможным моделировать туннельную ионизацию — явление, при котором электроны "просачиваются" сквозь энергетический барьер под действием мощного поля.

Применение модели позволило провести точные расчёты для молекул с высокой степенью сложности, таких как вода, бензол и аминокислота лейцин. Физики показали, как изменяются молекулярные орбитали при различных значениях силы электрического поля. Это дало возможность наблюдать резкие переходы в структуре электронных оболочек — эффект, который не учитывался в ранних, менее точных моделях.

Одним из наиболее интересных результатов стало выявление "вихревых электронов" — особого типа частиц, возникающих при ионизации. Эти электроны несут в себе информацию о геометрии исходной молекулы. По мнению ученых, такие данные можно использовать для восстановления молекулярной структуры и даже различения зеркальных изомеров, или энантиомеров, что критично для фармацевтики.

Энантиомеры — это молекулы, идентичные по составу, но отличающиеся пространственным расположением атомов. Несмотря на кажущееся сходство, один из них может быть лекарственным средством, а другой — токсином. Новая методика спектроскопии, основанная на анализе вихревых электронов, даст возможность точно определять такие различия.

Особенность разработанной модели — её высокая скорость. В отличие от традиционных квантово-механических расчетов, требующих суперкомпьютеров и продолжительного времени, новый подход позволяет получать сопоставимые по точности результаты быстрее и с меньшими затратами. Это открывает возможности для широкого применения модели в практических задачах — от синтеза новых веществ до ускоренного тестирования потенциальных лекарств.