В Сколтехе предсказали возникновение наиболее вероятных органических молекул из первых принципов
Российские исследователи объяснили, почему анализ нефти, межзвездной среды и некоторых более приземленных материй обнаруживает ряд типичных соединений углерода, азота и водорода, в то время как молекулы с другими сочетаниями тех же трех атомов не встречаются. Эта работа превращает набор стихийно скопившихся в органической химии наблюдений и обобщений касательно поведения веществ в стройную систему, в основе которой — принципы квантовой физики.
Кроме того, опубликованное в The Journal of Physical Chemistry Letters исследование подскажет астрохимикам, какие новые органические молекулы наиболее вероятны в космосе. «В каком-то смысле органическую химию до сих пор преподают как телефонный справочник, — рассуждает руководитель исследования профессор Сколтеха Артем Оганов. — Некоторые молекулы устойчивы и потому встречаются часто. Другие — нет. Одни вступают в реакции охотно, другие — наоборот. Но почему? Мы знаем закономерности для основных веществ и их классов, но нет целостной системы, которая бы строилась от самых базовых принципов к частным случаям. А есть своего рода дневник разрозненных наблюдений, пусть и очень подробный».
«Наша работа исправляет эту ситуацию применительно к системе углерод — азот — водород: мы предсказываем и объясняем с позиции фундаментальных принципов квантовой теории, какие соединения этих трех элементов наиболее стабильны, наиболее инертны, и почему так, — продолжает химик. — Теперь на одной картинке умещается вся химия этой системы, которую к настоящему моменту наблюдали в космосе или, скажем, в нефтях, и даже остаётся задел на будущее». В основе подхода лежит позаимствованное из ядерной физики понятие «магических» атомных ядер: магическими называют такие молекулы, энергия которых ниже, чем у всех близкородственных молекул.
По законам физики материя всегда стремится принять состояние самой низкой энергии. Как следствие, утончённые, высокоорганизованные формы естественным образом деградируют без постоянных вливаний энергии извне (плохие новости для родителей). Еда — хороший пример: в спелом яблоке сконцентрировано много энергии, и оно стремится отдать ее окружающей среде (гниение) или тому счастливчику, который успеет оценить её по достоинству.
Забравший энергию у яблока превратит молекулы яблока в продукты реакции, наиболее заметный из которых — по запаху, так уж точно — называется скатолом, от древнегреческого слова со значением «экскременты». Чтобы образовался скатол, энергия предшествовавших ему веществ должна так низко упасть, что молекула самого скатола очень стабильна и почти достигает статуса «магической», а собственно магической, как выяснилось, является другая молекула с идентичной формулой C9NH9 и слегка иным расположением атомов в пространстве. Конечно, про стабильность скатола химики знали и без квантовых расчетов и даже используют его — в сверхмалых концентрациях! — при изготовлении духов и мороженого, но теперь устойчивость всех комбинаций атомов CNH понятна в рамках единой системы, с точки зрения энергии этих соединений.
Первый автор научной статьи, магистрант Сколтеха Елизавета Ванеева из Лаборатории дизайна материалов, которой руководит Оганов, поделилась мыслями о потенциальной сфере применения новой карты стабильности соединений в науке и промышленности: «Наши предсказания хорошо согласуются с перечнем тех молекул, которые наблюдаются в нефти и в космосе. Нефть на сегодня уже очень тщательно изучена, но если говорить о межзвездной среде и атмосферах других планет, то там периодически находят новую органику, и тут мы можем помочь астрохимикам, указав вероятных кандидатов для поиска. Искать такие вещи целенаправленно проще и быстрее».
«Что касается технологических применений, то представьте, что перед химиком-органиком стоит задача синтезировать какое-то промышленно значимое соединение, которое относится к рассмотренному нами классу, допустим органический краситель синего цвета, — добавила Ванеева. — Вместо того, чтобы долго проводить множество экспериментов, пытаясь понять, какие соединения окажутся стабильными, можно использовать наш метод. Он на основе фундаментальных квантово-химических расчетов предскажет вероятных кандидатов. У этого метода нет аналогов, он быстро работает, и теперь его надёжность проверена на опубликованных нефте- и астрохимических данных».
В будущем авторы исследования планируют распространить тот же подход и на другие органические системы, например белки, а также аминокислоты — составные элементы ДНК и РНК.
В освещенном в пресс-релизе исследовании также принял участие научный сотрудник Сколтеха Сергей Лепешкин. Вычисления выполнены на суперкомпьютерах «Олег» и «Аркуда» в Сколтехе, в Межведомственном суперкомпьютерном центре Российской академии наук и на суперкомпьютере «Лобачевский» в Нижегородском государственном университете. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно