• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
08.11.2022
ФизТех
179

Физики смоделировали на суперкомпьютере водные растворы сахаров

4.6

Коллектив ученых из МФТИ, ОИВТ РАН и НИУ ВШЭ исследовал водные растворы сахарозы методами суперкомпьютерного моделирования. Моно- и полисахариды широко применяются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Сделанные расчеты - отправная точка для дальнейших прикладных исследований растворов сахаров.

Модель водного раствора сахарозы с массовой долей 30%, включающей 12 молекул сахарозы и 532 молекулы воды, использованная для расчетов на суперкомпьютере / ©Пресс-служба МФТИ / Автор: Visellia Orfius

Результаты работы опубликованы в Journal of Molecular Liquids. Мало кто задумывается о всей масштабности применения сахарозы, а в быту — обычного сахара, размешивая его в чашке утреннего кофе. Однако исследования этого вещества на атомарном уровне — одна из важных научных и прикладных задач: результаты таких исследований востребованы в моделировании поведения растворов, комплексной переработке продуктов, и даже в исследовании процессов, протекающих в почве.

Моно- и полисахариды широко распространены в природе. Они важны для функционирования всех живых клеток, входят в состав клеточной стенки растений, выполняют различные биологические функции. Кроме того, материалы на основе полисахаридов, в первую очередь целлюлозы, широко используются в технологических приложениях.

Мембраны на основе эфиров целлюлозы, чаще всего ацетата целлюлозы, применяются при опреснении морской воды методом обратного осмоса, очистке воды от высокомолекулярных и тяжелых металлов. Эти мембраны могут использоваться в электрохимических источниках тока, таких как ячейки Red/Ox.

Сахароза используется и в процессах дегидратации, которые помогают поддерживать качество пищевых продуктов. Все это делает очень важным изучение свойств водных растворов моно- и полисахаридов.

Одним из инструментов, используемых учеными для исследования свойств растворов, является метод молекулярной динамики. Данный метод с применением суперкомпьютерных ресурсов помогает изучить большое количество соединений, которое в эксперименте проверить затруднительно из-за временных и финансовых затрат. Упрощается и поиск оптимальных веществ по заданным свойствам.

Ученые из МФТИ построили достоверную модель, позволяющую с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров. В атомистическом моделировании многое завязано на взаимодействия между атомами системы. Для расчетов жидкостей часто применяются потенциалы межатомного взаимодействия.

Создание потенциалов – отдельное искусство, при разработке авторы ориентируются на квантово-механические расчеты, потом проверяют, насколько хорошо модель воспроизводит экспериментальные данные. Оказалось, что популярные потенциалы плохо подходят для описания динамических свойств водных растворов простых сахаров, таких как сахароза и глюкоза.

Владимир Дещеня, магистрант МФТИ, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, рассказывает: «Для исследования различных физических систем все чаще применяются методы суперкомпьютерного моделирования. Точность достигаемых результатов при этом напрямую зависит от потенциала межатомного взаимодействия, который получается при помощи квантово-механических расчетов и экспериментов.

Опираясь на последние улучшения различных потенциалов, описывающих взаимодействия атомов в жидкостях, мы подобрали подходящий для описания свойств раствора сахарозы в воде. Таким образом, мы получили достоверную модель раствора». 

Ученые применили свою модель для получения динамических и структурных характеристик водных растворов сахарозы, и результаты оказались близки к экспериментальным данным с достаточно высокой точностью.

Одним из ключевых преимуществ модели является то, что она может быть использована не только для исследования растворов сахарозы, но и для других сахаров. Такая широкая область применимости представляет интерес для большого круга задач. Например, она открывает возможность перебора различных химических соединений для поиска оптимальных материалов мембран в Red/Ox элементах — перспективных электрохимических элементах, которые могут использоваться в качестве аккумуляторных батарей и топливных элементов.

«Наше исследование на атомистическом уровне проливает свет на богатство конформаций молекул сахара в растворе, дополняет эксперименты и вычисления других авторов. Отличительной чертой работы является достоверность модели, позволяющей с приемлемой точностью прогнозировать уравнение состояния и коэффициенты переноса растворов сахаров.

Сейчас мы собираемся использовать полученную нами модель для исследования структурных свойств именно водных растворов сахарозы. Ответ на вопрос, какие конформационные перестройки молекулы сахарозы в растворе возможны – до сих пор предмет научных дискуссий. Возможно, мы с коллегами проясним это в следующей работе», – поясняет Николай Кондратюк, заведующий лабораторией многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ.

Расчеты были проведены на суперкомпьютере Десмос ОИВТ РАН, а часть данных обработана на суперкомпьютере МФТИ. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и программой стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 15:22
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

Позавчера, 15:47
Александр Березин

Разные группы ученых предсказывали существование реликтовых гравитационных волн еще десятки лет назад. Однако, когда такое открытие в 2020-х годах действительно сделали, оказалось, что обнаруженные гравиволны несовместимы практически со всеми конкретными предсказаниями, кроме одного.

4 часа назад
Андрей

Палеонтологи обнаружили нового рогатого динозавра на границе Канады и США — животное прозвали локицератопсом в честь бога Локи из скандинавских мифов. Однако факт, что это самостоятельный вид, будет оспариваться, потому что у локицератопса было исключительно много соседей. И судя по всему, в Северной Америке открыли еще далеко не всех динозавров.

Позавчера, 15:22
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

20 июня
МПСУ

Эмоциональное выгорание ИТ-специалиста напрямую связано с его личностными характеристиками. С профессиональными перегрузками и стажем связи нет. К такому выводу пришли ученые МПСУ, которые исследовали ИТ-специалистов двух компаний. Жизнестойкость, то есть способность человека выдерживать стрессовые ситуации без снижения успешности деятельности, в совокупности с внутренней положительной мотивацией формируют иммунитет к эмоциональному выгоранию специалиста в ИТ-сфере. Блокаторами стали интерес к работе и профессиональная удовлетворенность.

Позавчера, 15:47
Александр Березин

Разные группы ученых предсказывали существование реликтовых гравитационных волн еще десятки лет назад. Однако, когда такое открытие в 2020-х годах действительно сделали, оказалось, что обнаруженные гравиволны несовместимы практически со всеми конкретными предсказаниями, кроме одного.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

Позавчера, 15:22
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно