Получение химических веществ с заданными свойствами на основе компьютерного моделирования атомно-молекулярных систем становится реальностью в Международной лаборатории многомасштабного моделирования полифункциональных соединений Южно-Уральского государственного университета. Это позволит синтезировать новые материалы, лекарственные средства, а также понять принципы биохимических реакций на молекулярном уровне.
Новые алгоритмы компьютерного моделирования структуры веществ
Ph.D., профессор Университета Центральной Флориды (США) Артём Масунов и доктор химических наук, профессор Екатерина Барташевич руководят работой лаборатории с 2016 года.
Ученые Института естественных и точных наук работают над исследованиями на стыке химии, хемоинформатики и компьютерного дизайна физико-химических свойств материалов. Физико-химические свойства веществ можно не только прогнозировать, но и добиваться их направленных изменений, опираясь на рациональный дизайн структуры атомно-молекулярных систем. Это важно для получения новых химических соединений, которые можно будет использовать в промышленности, в высоких технологиях и медицине, существенно сократив время экспериментального поиска в химических лабораториях. Приоритетной задачей лаборатории является разработка алгоритмов и подходов к компьютерному моделированию структуры и свойств органических и гибридных материалов.
«Мы стремимся использовать в химии такие цифровые технологии, как машинное обучение, искусственный интеллект, эволюционные алгоритмы. Все эти инструменты становятся традиционным набором современного химика и прочно входят в наши профессиональные будни. При этом в лаборатории решаются самые разнообразные практические задачи, связанные с улучшением полезных свойств материалов», – поясняет Екатерина Барташевич.
Лаборатория активно развивает международное сотрудничество. В результате совместной работы с Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania была разработана методика вычислительного предсказания поглощения света порфириновыми соединениями. Порфирины – это природные вещества, которые участвуют в таких процессах, как фотосинтез, перенос кислорода, транспорт электронов. Уникальность этих веществ в том, что они позволяют вводить в их состав различные заместители, что дает возможность изменить свойства материалов.
Сотрудничество с РАН
Международная лаборатория многомасштабного моделирования полифункциональных соединений тесно сотрудничает с Институтом органического синтеза УрО РАН, г. Екатеринбург. Ученые исследуют свойства молекул-индукторов, без которых был бы невозможен асимметрический синтез лекарств.
Сотрудники лаборатории занимаются расчетами спектральных и оптических свойств молекулярных кристаллов, анализом упругих свойств и поиском новых механохромных соединений, способных менять свой цвет в зависимости от физической нагрузки, используют основы хемоинформатики для поиска направленных модификаций фотокатализаторов на основе нитрида углерода.
Новые научные направления
Активно развивается новое направление для лаборатории – компьютерный дизайн оптических материалов.
«Новая тема, которая заинтересовала нас год назад, была связана с механическими свойствами молекулярных кристаллов: наши усилия были ориентированы на поиск гибких и пластичных монокристаллов, лишенных хрупкости. Был наработан солидный задел, позволивший нам выиграть грант РФФИ. Идентификация потенциально гибких монокристаллов становится возможной благодаря разрабатываемой в нашем коллективе новой вычислительной методике», – говорит Екатерина Барташевич.
По результатам проведенных в лаборатории исследований публикуются статьи в высокорейтинговых научных журналах по направлению материаловедение. Например, выходит статья в журнале Crystal Growth & Design (Q1) “Virtual Tensile Test for Brittle, Plastic, and Elastic Polymorphs of 4-Bromophenyl 4-Bromobenzoate".
Лаборатория планирует развивать международное сотрудничество с ведущими образовательными центрами и институтами Российской академии наук.
Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегий научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, химии и материаловедения.