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.
В Сколтехе предсказали возникновение наиболее вероятных органических молекул из первых принципов / © Getty images
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.
